Вида энергии от какого-либо источника энергии посредством какого-либо энергоносителя к какому-либо потребителю энергии



Скачать 456.62 Kb.
страница1/3
Дата10.11.2016
Размер456.62 Kb.
  1   2   3
4 ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ

4.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Под передачей энергии понимается перенос какого-либо вида энергии от какого-либо источника энергии посредством какого-либо энергоносителя к какому-либо потребителю энергии или энергоприемнику.
Термин источник энергии является условным и не означает, что в этом источнике энергия возникает или создается. Как сказано в разделе 1.1, энергия не может сама по себе возникать или исчезать; ее можно только преобразовать из одного вида в другой.
Обычно передача энергии понимается как осуществление соответствующего технического намерения. Энергия может, однако, передаваться и независимо от целенаправленной деятельности человека в результате физических процессов, происходящих как в природе, так и в технических устройствах.
Источниками энергии называются устройства, установки или природные объекты, отдающие энергию, полученную в результате какого-либо преобразовательного процесса или каким-либо способом накопленную в них. Другими словами, источник энергии может представлять собой преобразователь или аккумулятор энергии; иногда в нем совмещаются обе функции. Источник, преобразующий один вид энергии в другой, называется первичным; если такого преобразования не происходит, то источник считают вторичным.
По этому определению, например, Солнце и электростанция являются первичными, а нагретая поверхность Земли, электрическая подстанция и преобразователь частоты – вторичными источниками энергии.
В энергоприемниках принимаемая энергия также может преобразовываться или аккумулироваться; иногда в них могут происходить и оба процесса.
Энергоносителями, в зависимости от вида передаваемой энергии, чаще всего являются


  • твердое, жидкое или газообразное сжигаемое топливо (носитель химической энергии),

  • ядерное топливо (носитель ядерной энергии),

  • нагретые твердые тела, жидкости или газы (теплоносители),

  • различные силовые передаточные механизмы или их элементы,

  • излучение,

  • электромагнитное поле.

Для передачи энергии иногда может потребоваться дополнительная энергия (например, для приведения энергоносителя в движение); кроме того, при передаче обычно возникают потери энергии (например, вследствие рассеяния тепла в окружающую среду). Могут изменяться и параметры энергии; так, например, напряжение в конце линии электропередачи, как правило, отличается от напряжения в начале линии. Простейшая, но учитывающая эти обстоятельства принципиальная схема энергопередачи представлена на рис. 4.1.1.




Рис. 4.1.1. Принципиальная схема передачи энергии. W1 отдаваемая источником, W2 принимаемая приемником энергия, W потеря энергии

Передачу энергии обычно характеризуют




  • мощностью передачи,

  • удельным расходом дополнительной энергии (расходом на единицу передаваемой энергии),

  • коэффициентом полезного действия передачи





  • полной и удельной стоимостью устройств и средств передачи,

  • удельными текущими расходами,

  • действием на окружающую среду.


В природе происходит как постоянное преобразование, так и постоянная передача всех видов энергии. Земля как приемник энергии получает лучистую энергию от Солнца (см. рис. 1.3.1), причем, часть ее возвращается обратно в мировое пространство, а часть превращается на материках и в морях в тепло, которое может передаваться теплопроводностью и конвекцией по почве, воде и воздуху (рис. 4.1.2). Через кору Земли на поверхность Земли выходит внутриземное тепло (геотермальная энергия). Прямо или после различных преобразований, как было показано в разделе 1.3, практически вся получаемая Землей энергия передается в виде теплового излучения в мировое пространство.
В особо больших количествах тепло передается морскими течениями (например, теплым Гольфстримом), а также ветрами (с пустынь и других более теплых регионов Земли).



Рис. 4.1.2. Примеры передачи лучистой энергии и тепла в природе



Механическая энергия, возникающая в результате различных процессов преобразования, может передаваться в природе в виде


  • ветра,

  • водяного течения,

  • грязекаменного потока (селя),

  • звука.

У живых существ всякое движение сопровождается передачей механической энергии мышц.


Химическая энергия, которая первоначально в результате фотосинтеза аккумулируется в растениях в живой природе, может преобразовываться и передаваться различными способами в виде биомассы.
К разновидностям передачи химической энергии относится и прием пищи – передача содержащейся в пище энергии из наружной среды в пищеварительный тракт живого существа.
Электрическая энергия передается, например, перемещением заряженных частиц в атмосфере, разрядами молнии, тлеющим разрядом в ионосфере, а также в виде весьма слабых токов в биоэлектрических процессах живых существ.
Электрические процессы в человеческом теле могут, в частности, исследоваться при помощи электрокардиографов, электроэнцефалографов и других электромедицинских измерительных приборов.
В энерготехнике могут, по мере потребности, различными способами передаваться все виды энергии –


  • химическая энергия путем перевозок топлива или передачей по топливопроводам,

  • ядерная энергия путем перевозок ядерного топлива,

  • механическая энергия посредством механических передач или при помощи сжатых газов и перекачиваемых жидкостей,

  • тепло при помощи жидких, газообразнных или твердых теплоносителей или тепловым излучением,

  • электрическая энергия по электрическим проводникам, по линиям электропередачи переменного или постоянного тока или в виде электромагнитного поля (например, в виде радиоизлучения от передающих антенн до принимающих),

  • лучистая энергия в виде видимого, ультрафиолетового или инфракрасного излучения в открытой среде или по светопроводам (например, по стекловолоконным кабелям) и др.

Одним из главных показателей энергопередачи является мощность передачи – количество передаваемой энергии в единицу времени. Некоторые примеры мощности передачи различных видов энергии при некоторых способах передачи представлены на рис. 4.1.3.




Рис. 4.1.3. Некоторые примеры мощности различных способов передачи энергии


4.2 ПЕРЕДАЧА ТОПЛИВА
Передача топлива, как показывает и рис. 4.1.3, является одной из наиболее эффективных разновидностей передачи энергии, так как удельное содержание химической энергии в топливе (энергия на единицу массы или объема, получаемая при его сжигании, теплота сгорания или теплотворность), по сравнению с другими видами энергии, весьма велико – (15...45) GJ/t. В таблице 4.2.1 представлены данные о теплоте сгорания некоторых видов топлива, применяемых в энергоустановках.

Для большинства других видов энергии относительное энергосодержание (на единицу массы или объема) намного меньше (более подробно см. главу 5). Топливо может передаваться


  • определенными грузами, перевозимыми при помощи различных транспортных средств (судов, поездов, грузовых автомобилей, самолетов и др.),

  • непрерывным потоком по различным сооружениям и средствам непрерывного транспорта (трубопроводами, конвейерами, элеваторами и др.).

При выборе способа передачи учитываются




  • вид топлива,

  • требуемое количество топлива в единицу времени (мощность передачи),

  • наличие или необходимость в транспортных сооружениях (в шоссейных или железных дорогах, в трубопроводах и др.),

  • грузоподъемность транспортных средств,

  • отношение собственной массы транспортного средства к массе груза,

  • скорость передачи,

  • предельная дальность передачи,

  • способы погрузки, разгрузки и перегрузки,

  • гибкость (например, возможность изменения трассы перевозок),

  • надежность,

  • влияние на окружающую среду и опасности, связанные с транспортом,

  • удельный расход энергии на произведение единицы массы топлива и единицы дальности передачи, например, в киловатт-часах на тоннокилометр.

Учитываются также экономические показатели передачи, в том числе




  • расход рабочей силы,

  • затраты на приобретение и эксплуатацию транспортных средств,

  • затраты на строительство и эксплуатацию дорог,

  • удельная стоимость перевозок на произведение единицы массы топлива и дальности передачи, например, в кронах на тоннокилометр.

На рисунках 4.2.1, 4.2.2 и 4.2.3 для приблизительной ориентации представлены некоторые примеры по средней дальности, по мощности и по себестоимости передачи топлива.




Рис. 4.2.1. Некоторые примеры средней дальности перевозок (km)


Рис. 4.2.2. Некоторые примеры возможного грузового потока (Mt/a) при некоторых способах транспортировки топлива


Рис. 4.2.3. Средняя себестоимость перевозки топлива в евроцентах на тоннокилометр при некоторых видах передачи топлива (очень приближенно)

Наибольшие количества топлива на наибольшие расстояния (например, с одного материка на другой) и с наименьшими удельными расходами могут перевозиться океанскими судами. Обычно этим способом перевозятся нефть и нефтепродукты, но весьма часто и другие жидкости, сжиженный газ и каменный уголь. Танкеры для местных перевозок жидкого топлива строятся с расчетом на грузоподъемность (500...5000) t, океанские танкеры на


(30 000 ... 550 000) t. При грузоподъемности более 250 000 t их называют супертанкерами.
Первоначально суда перевозили нефть и нефтепродукты в бочках, и первый полностью загруженный парусник Elisabeth Watts (с 1329 бочками керосина на борту) прибыл из Америки в Лондон в 1861 году. Первый в мире нефтяной танкер Zoroaster был построен в 1877 году по заказу действовавшего в России (в Баку) шведского нефтепромышленника Людвига Нобеля (Ludvig Nobel, 1831–1888) [1.16]. Крупнейший танкер – самое крупное судно мира – (565 000 t, длиной 458 m), носящий в настоящее время имя Нок Невис (Knock Nevis), был построен в Японии в 1979 году и несколько раз переходил от одного владельца к другому. С 2004 года он стоит в нефтяной гавани Катара как судно для приема, хранения и перекачивания нефти.
Перевозка больших объемов нефти по океану чревата риском кораблекрушений и, как следствие, загрязнением воды и побережья. Например, 16 марта 1978 года из-за отказа руля около побережья Бретани (Bretagne, Франция) попал на риф плавающий под флагом Либерии супертанкер Амоко Кадиз (Amoco Cadiz) длиной 334 m. Бóльшая часть из 234 000 t нефти вытекла в море и вызвала небывалое загрязнение как моря, так и 200 km побережья. Однако наиболее катастрофическое в истории Европы загрязнение моря, а также побережья Португалии, Испании и Франции произошло после 19 ноября 2002 года, когда на расстоянии 250 km от берега Португалии сломался пополам и утонул плававший под флагом Багамских Островов танкер Престиж (Prestige) с грузом мазута (77 000 t), принятого на борт в Вентспилсе (Ventspils). 28 января 2006 года произошло крупнейшее загрязнение побережья Эстонии мазутом, попавшим в море из неустановленного танкера, на полосе Дирхам–Вихтерпалу (Dirham–Vihterpalu) длиной 35 km; предполагают, что вследствие загрязнения погибло приблизительно 35 000 зимующих там морских птиц.
Из-за тяжелых последствий морских аварий с 1989 года предъявляются более строгие требования к конструкции танкеров (двойные дно и борты и др.), что привело к удорожанию океанского транспорта. Использование крупных танкеров остается, однако, по-прежнему самым дешевым способом транспортировки топлива. Наглядно показывает это и таблица 4.2.2, где приведены данные, на какое расстояние за 1 евроцент может передаваться один литр жидкого топлива.

Для транспортировки каменного угля на судах используется речной транспорт грузоподъемностью от 500 t до 2000 t и морские суда грузоподъемностью до 120 000 t. К примеру, стоимость перевозки каменного угля из США в Европу специальными углевозными судами составляет приблизительно (10…15) евро за тонну.


Для перевозки топлива широко используется и железнодорожный транспорт. Для передачи больших грузопотоков твердого топлива по суше этот способ является почти единственным, однако он применяется и для транспортировки жидкого топлива, когда сооружение трубопроводов себя не оправдывает. Поезда для перевозки угля состоят обычно из 50...100 вагонов общей вместимостью от 2000 t до 10 000 t; на Эстонской железной дороге средней вместимостью поезда считается 2900 t. Рассматривается применение и сверхтяжеловесных составов вместимостью до 20 000 t, например, для перевозок угля из России в Центральную Европу. По железным дорогам Эстонии в 2006 году перевезено 50 Mt топливных грузов, в том числе 28 Mt нефти (главным образом, в виде транзита), 14 Mt горючего сланца и 8 Mt каменного угля; топливные перевозки составляли 82 % всего грузооборота дороги [4.1].
Примитивный рельсовый транспорт был известен уже 3000 лет д. р. Х. в Месопотамии. С 14-го века на шахтах Европы применялись деревянные рельсы, и в 1767 году на шахтных конных рельсовых дорогах Англии начали прокладывать чугунные рельсы. Первую в мире железную дорогу с применением паровозов Стоктон–Дарлингтон (Stockton–Darlington, Англия), которая была открыта 27 сентября 1825 года, сразу стали использовать, кроме прочего, и для перевозки каменного угля [1.16]. Поезд рекордной длины (правда, для перевозки не угля, а руды) был составлен 26 августа 1989 года в Южно-Африканской Республике. Он состоял из 660 вагонов общей массой (брутто) в 69 393 т и приводился в движение 9 электро- и 7 тепловозами, распределенными по длине состава. Длина поезда составляла 7,3 km, и расстояние в 861 km он покрыл за 22 часа и 40 минут.
Транспортировка топлива по железной дороге считается более надежной, чем другие виды перевозок. Однако и на железной дороге случаются аварии. Наиболее тяжелая железнодорожная катастрофа, связанная с перевозкой топлива, произошла 22 апреля 2004 года в Корейской Народной Демократической Республике на железнодорожной станции города Рионгчон (Ryongchon), на расстоянии 20 km от границы Китая, где столкнулись два поезда, нагруженные жидким топливом и сжиженным газом; при взрыве были полностью разрушены вокзал и близлежащие здания. Погибло или пострадало более 3000 человек.
Транспортировка топлива с низкой теплотворностью (например, бурого угля или горючего сланца) оправдывает себя только при доставке по железной дороге на небольшие расстояния (до нескольких десятков километров).
Самолет, как очень дорогое транспортное средство с относительно малой грузоподъемностью (до 250 t), используется для перевозок топлива лишь в исключительных случаях, например, для заправки военных самолетов в воздухе.
Трубопроводный транспорт весьма эффективен для передачи жидкого и газообразного топлива. Диаметр магистральных трубопроводов составляет обычно от 0,3 m до 1,5 m, в местных сетях применяются и меньшие диаметры (часто только в несколько сантиметров). Магистральные газопроводы рассчитываются обычно на давление от 2,5 MPa до 10 MPa и на скорость газа приблизительно 10 m/s; в случае наземных газопроводов через каждые
(50...100) km устанавливаются компрессорные станции (см. рис. 4.2.4). На морских газопроводах давление газа выше (например, 25 MPa), и компрессорная станция предусматривается обычно только в начале газопровода. Для привода компрессоров могут применяться как электродвигатели, так и газовые турбины, снабжаемые газом, как правило, с того же газопровода (вариант 2 на рис. 4.2.4). Газопотребление турбин обычно не превышает 1 % от количества перекачиваемого газа. В магистральных нефтепроводах и в других магистральных трубопроводах жидкого топлива скорость жидкости составляет чаще всего (1...2) m/s, и насосные станции наземных трубопроводов сооружаются через каждые (100...250) km.


Рис. 4.2.4. Принципиальные схемы наземных трубопроводов для газа (а) и для жидкого топлива (b). ГТ газовая турбина, К компрессор,
M электродвигатель, Н насос

В Эстонии первый магистральный газопровод был построен а 1948 году для передачи сланцевого газа с Кохтла-Ярве (Kohtla-Järve) в Ленинград и действовал до 1957 года. В настоящее время Эстония получает природный газ из России по двум трубопроводам, проходящим через Латвию; газоизмерительные станции находятся в Каркси (Karksi) и Вярска (Värska). Схема сети газопроводов на территории Эстонии представлена на рис. 4.2.5.




Рис. 4.2.5. Магистральные газопроводы Эстонии. Рисунок заимствован с интернет-сайта АО Ээсти Гаас (Eesti Gaas)

По трубопроводам может передаваться и твердое топливо, в первую очередь, каменный уголь. Для этого он размалывается в зерна диаметром около 1 мм и перемешивается с водой в пропорции приблизительно 1:1. Такая смесь называется пульпой и может перекачиваться на расстояние до нескольких сотен километров, где воду отфильтровывают, а уголь размалывают в порошок и направляют в топку. Наиболее длинный трубопровод такого типа (439 km) снабжает углем электростанцию города Мохаве (Mojave, Калифорния, США) от шахты Блек Меза (Black Mesa, Аризона). Вместо воды в пульпе может использоваться и жидкое топливо (например, нефть или метанол).


Утверждают, что природный газ для испарения морской воды с целью получения соли передавали по бамбуковому трубопроводу небольшой длины уже 500 лет д. р. Х. в Китае с месторождения газа на побережье моря. Первый современный нефтепровод (диаметром 2 дюйма и длиной около 2 км) был построен в 1863 году в Пенсильвании (Pennsylvania, США). В 1990 году в Канаде вступил в строй самый длинный в мире нефтепровод Эдмонтон–Чикаго–Монреаль (Edmonton–Chicago–Montreal) – 3787 km, по которому передается 6000 m3 нефти в сутки. Через Канаду проходит и самый длинный в мире газопровод – 13 955 km, по которому в 1995 году передали 67 миллионов кубометров природного газа. В настоящее время на всех континентах, прежде всего в Европе и Северной Америке, действуют густые сети нефте- и газопроводов. В 2011 году, в частности, должен вступить в строй газопровод Северный поток (Nord Stream) длиной 1220 km, прокладываемый по дну Балтийского моря между Выборгом и Грайфсвальдом (Greifswald, Германия).
Недостатком этого вида транспортировки следует считать риск утечки, которая может привести к загрязнению природы или (в случае газопроводов) к взрыву. Наиболее тяжелые последствия имел взрыв, произошедший 13 июня 1989 года из-за утечки сжиженного газа из трубопровода, проходящего вблизи железной дороги между городами Уфа и Аша (Россия) в момент, когда в этом месте проезжали два встречных пассажирских поезда; погибло 575 и пострадало более 600 человек.
Автомобильные перевозки неизбежны для топливоснабжения малых и рассредоточенных потребителей. Для этой цели обычно применяются специальные дизельные топливовозы вместимостью от 5 t до 20 t. Суммарная масса топливовоза с грузом ограничена законодательными актами и составляет в разных странах обычно от 30 t до 60 t. Так как удельный расход энергии в виде дизельного топлива дизельных грузовиков (в том числе и топливовозов) составляет (1,4…4,6) MJ/(t km), что намного больше, чем на железнодорожном транспорте (где он в среднем равен 0,31 MJ/(t km)) или при трубопроводной передаче, то дальность автомобильных перевозок обычно не превышает нескольких десятков километров.
Первый грузовой автомобиль (рассчитанный на груз 1,5 t, с двигателем мощностью 4 л.с. и развивающий скорость до 16 km/h) изготовил в 1896 году немецкий промышленник Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler, 1834–1900). Аварийные происшествия на автомобильном транспорте более часты, чем на железнодорожном или водном. Поэтому при перевозке жидкого топлива или газа следует строже выполнять требования безопасности (использование ночного времени, запрет на передвижение по определенным улицам или шоссе, ограничение скорости и т. п.). Наиболее тяжелая авария при перевозке сжиженного газа (пропана) имела место 11 июля 1978 года в Испании, вблизи курорта Коста Дорада (Costa Dorada), когда при взрыве автоцистерны на пляже погибло 216 отдыхающих. 3 ноября 1982 г. в Салангском туннеле (в Афганистане) столкнулись автоцистерна с жидким топливом и военный грузовик; в возникшем пожаре погибло, по официальным данным, 178 военнослужащих СССР и около 800 гражданских лиц Афганистана. Высказывались предположения и о большем числе жертв.
Твердое топливо может транспортироваться и конвейерами. Такой способ перевозок распространен в шахтах и внутри зданий, но встречается и в сложных горных условиях, где прокладка автомобильных или железных дорог затруднена. Конвейеры, как и трубопроводы, обеспечивают беспрерывную подачу топлива, и их длина может достигать нескольких десятков километров. Недостатком являются большие потери на трение и, вследствие этого, большее удельное потребление энергии, чем на железнодорожном или на автомобильном транспорте. Наиболее длинная конвейерная линия (100 км, для транспортировки фосфорита) была построена в 1972 году в Испанской Сахаре от Минеа Букра (Minea Bucraa) до Атлантического побережья.
Транспортировку топлива следует считать очень старым способом передачи энергии, изобретенным человеком, так как он был необходим уже при доставке дров к первым кострам.
4.3 ПЕРЕДАЧА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Применение любого механического орудия труда предполагает передачу механической энергии от мышц человека (обычно от мышц руки) к обрабатываемому предмету. Передавать механическую энергию таким способом человек научился, следовательно, уже при помощи первых примитивных необработанных каменных ударных орудиий (рис. 4.3.1) – около 3 млн. лет назад.


Рис. 4.3.1. Необработанный булыжник как первое (ударное) орудие труда и средство передачи энергии

Со временем из камня, путем обработки, научились изготовлять скребки, ножи, топоры, молоты и другие ручные орудия труда. Для понимания же, что энергию можно передать и при помощи броска, человеку потребовалось более двух миллионов лет. Чтобы бросить камень или другой предмет в цель, нужна определенная осмысленная координация движений. Предполагают, что именно с этим связано начало более быстрого развития мозга и человеческого разума.


Как уже сказано (см. раздел 1.4), приблизительно 50 000 лет назад в Южной и Юго-западной Африке в развитии интеллектуальных способностей человека произошел некоторый скачок. Это привело к тому, что для передачи механической энергии он стал пользоваться передаточными механизмами силы. Древнейшим из них считается рычаг (рис. 4.3.2). Приблизительно тогда же человек научился производить огонь, вращая между ладонями сухой сучок, который своим нижним концом терся о сухую древесную основу; таким образом возник первый примитивный вал. Несколько позже были изобретены такие охотничьи и военные орудия как метательное копье и лук. Копья и стрелы оказались эффективными носителями, а лук эффективным аккумулятором механической энергии.
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница