Р. Байтасов - Основы энергосбережения. Конспект лекций

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия – это энергия, «запасённая» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» её весьма неохотно. Однако электрический ток создаёт вокруг себя протяжённые, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергия тесно взаимосвязаны друг с другом, каждая из них может рассматриваться как «оборотная» сторона другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжёлых ядер (ядерная реакция) или синтезе лёгких ядер (термоядерная реакция).

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасённая» телом, поднятым на определённую высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

Одним из критериев оценки качества энергии принимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу.

Источники энергии имеют следующие ориентировочные значения этого критерия:

– теплота сжигаемого топлива – 30—45%;

– электроэнергия – 95% и более;

– источники механической энергии: ветровая – 30%, водных потоков рек – 60%, волновая и приливная – 65%;

– тепловые возобновляемые источники – 35%;

– фотоэлектрические преобразователи – 15%.

Человечеству известно 16 видов энергии (табл. 1.1)

Таблица 1.1 Классификация видов энергии, охватывающая все варианты энергетических превращений в природе

Для производственной деятельности и бытовых нужд люди используют в основном только четыре вида энергии (табл. 1.2)

Таблица 1.2 Виды энергии, непосредственно необходимые для жизни и деятельности человечества

Причём наибольшая потребность существует в тепловой энергии – 75% от всех энергозатрат. Доля световой энергии и электрической в чистом виде (в электротехнологии, электротерапии, в информационных системах) составляет не более 1%. В основном электрическая энергия преобразуется в другие виды – механическую, тепловую, световую (электромагнитную).

Электроэнергияявляется одним из наиболее совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими преимуществами:

– возможность выработки в местах сосредоточения ТЭР;

– удобство транспортирования на большие расстояния;

– хорошая трансформируемость в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую);

– экологичность;

– делимость;

– возможность применения новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

К недостаткам, присущим электрической энергии, следует отнести повышенную опасность и сложность аккумулирования.

Механическая энергияполучается путём преобразования электрической энергии в электрических машинах (электродвигателях) или в тепловых машинах (двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах), использующих химическую энергию топлива. Для получения механической энергии издавна использовались также машины и механизмы, преобразующие энергию падающей воды или ветра.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Электрическая и тепловая энергия производится:

– на тепловых электрических станциях (ТЭС) и теплоцентралях (ТЭЦ) на углеводородном топливе с использованием в турбинах водяного пара (паротурбинные установки – ПТУ), энергии газов, образующихся в результате горения топлива (газотурбинные установки – ГТУ), а также с комбинированным использованием тепловой и потенциальной энергии газов и пара (парогазовые установки ПГУ);

– на гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива (на море);

– на атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада;

– в котельных различной мощности, вырабатывающих только тепловую энергию.

Конденсационные ТЭС производят только электроэнергию (они называются также ГРЭС – государственные районные электростанции). Теплоцентрали (ТЭЦ) – электрические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Упрощенная схема производства электрической энергии на ТЭС, работающей на органическом топливе, приведена на рис. 1.1.

Рис.1.1 Структурная схема ТЭС

При сгорании органического топлива, подаваемого в котёл, химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, за счёт которой образуется пар высокого давления (10…14 МПа) с температурой свыше 500˚С. Пар поступает на паровую турбину. Турбина, представляющая собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа, преобразует энергию пара в механическую энергию вращения ротора турбины, которая передаётся электрогенератору, вырабатывающему электроэнергию. Отработанный в турбине пар подаётся в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде, поступающей из охладителя. В качестве охладителей используют градирни, пруды-охладители или естественные водоёмы – озёра, реки, водохранилища. Образующийся конденсат откачивается из конденсатора и подаётся обратно в котёл, где компенсирует расход воды на парообразование.