Глава 2 Источники энергии

Под и с т о ч н и к о м э н е р г и и следует понимать материальное тело (или тела), доля энергетического потенциала которого может быть передана другим объектам.

При производстве сельскохозяйственной продукции, ее переработке, хранении, в обеспечении бытовых и технологических процессов используются различные виды энергии. Это химическая энергия топлив, солнечная энергия, электрическая энергия, внутренняя энергия окружающей среды и др. Формой передачи энергии от её источника к потребителю является в большинстве случаев теплота. Теоретические основы и особенности взаимопреобразование различных видов энергии с участием теплоты подробно рассмотрены в

Источники энергии в подавляющем случае природного происхождения. Часть из них извлекают из недр Земли или вод Мирового океана, их запасы постепенно уменьшаются. Это так называемые н е в о з о б н о в л я е м ы е источники энергии. Другая часть природных источников энергии имеет хотя и непостоянную концентрацию по месту и времени, но постоянно в о –

з о б н о в л я е м у ю энергию: солнечное излучение, энергия движения вод в морях и океанах, энергия движения воздуха в атмосфере и т.д.

К источникам энергии искусственного происхождения относят вещества созданные человеком, например, бензин, спирт, кокс и др.

2.1. Невозобновляемые источники энергии

2.1.1. Энергия химических топлив

Т о п л и в о м, строго говоря, следует называть вещество или сово-

купность веществ, энергия связи микрочастиц которых поддается

освобождению,

В теплоэнергетике наиболее распространенными являются химические топлива. Горение химических топлив включает окислительно - восстановительные реакции, в результате которых происходит перераспределение энергетических связей между элементами, участвующими в реакции.

Химические элементы, подвергающиеся окислению в процессе сгорания, принято называть горючими.

Химические же элементы, которые в процессе реакции восстанавливаются, называют окислителями.

К горючим элементам относят углерод (С), водород (Н), алюминий (Al), литий (Li) и др.

К элементам, способным восстанавливаться, относят кислород (O),

фтор (F), хлор (Cl).

Как те, так и другие элементы могут входить в химические соединения, обладающие либо свойствами горючих, либо свойствами окислителей. Так, этиловый спирт C₂ H₅ OH , включающий углерод, водород и кислород, используется в качестве горючего, а воздух, состоящий из кислорода и инертного азота, применяется как окислитель.

Совокупность горючего и окислителя называют химическим топливом, а его составляющие – компонентами.

Компоненты топлива не всегда можно представить молекулярной формулой. Однако во всех случаях состав горючего, окислителя или топлива в целом можно задать, если воспользоваться у с л о в н о й химической формулой, Условной ее называют потому, что рассматривается компонент или топливо с условной молярной массой, равной 1000 г/моль. Тогда один моль рассматриваемого вещества будет равен 1кг массы. Так соединение, состоящее из углерода, водорода, кислорода, азота имеет в общем виде условную химическую формулу Сb_c Hb_h Ob_o Nb_n . Здесь индекс у химического элемента означает число грамм-атомов этого элемента в соединении.

Число грамм-атомов b_i i-го элемента в условной формуле определяется по соотношению

b_i = 1000, (2.1)

где q_i – массовая доля i -го элемента в химическом соединении;

A_i – атомная масса i -го элемента.

Массовая доля элемента в компоненте находится опытным путем. Если компонент задан химической формулой, то для определения q_i исполь- зуется выражение

q_i = , (2.2)

где z_i – число атомов i-го элемента в молекуле компонента.

Для примера химическую формулу воды H₂O переведем в условную формулу. Используя выражение (2.2), вычислим массовые доли водорода и кислорода в воде.

q_н = и q_o= .

По формуле (2.1) определим число грамм- атомов водорода и кислорода.

b_н = и b_o = .

Отсюда условная химическая формула воды будет иметь вид: H₁₁₁ O_55,6 .

Условная химическая формула воздуха записывается выражением N_52,91 O_14,48 , а бензина – C_72,25 H₁₃₃ .

При расчете условной формулы топлива важно знать соотношение между горючими и окислительными элементами. Это соотношение характеризуется стехиометрическим коэффициентом.

Под массовым стехиометрическим коэффициентом понимают наименьшее теоретически необходимое количество килограммов окислителя, потребное для полного окисления одного килограмма горючего.

Обозначают массовый стехиометрический коэффициент К₀ и измеряют в , где (ок - окислитель, г - горючее).

При стехиометрическом соотношении предполагается использование полных валентностей химических элементов.

Формула для определения К₀ имеет вид:

К₀ = – , (2.3)

где – валентность i -го элемента, которая выбирается из табл. 2.1

с ее знаком;

b_i – число грамм-атомов i -го элемента в условной химической формуле.

Таблица 2.1 – Валентность некоторых химических элементов

Элемент	Валентность	Элемент			Валентность
H	+1	O			2
Li	+1	F			1
Be	+2	Na			+1
C	+4	Al			+3
N	0	Cl			1
Mq	+2		S	+4

Если действительное количество окислителя, подаваемое для сгорания 1 кг горючего, отличается от теоретически необходимого, то такая смесь будет характеризоваться действительным коэффициентом соотношения компонентов, обозначаемым К:

K = . (2.4)

Отличие действительного соотношения от стехиометрического оценивается коэффициентом избытка окислителя, который равен

. (2.5)

При >1 топливо содержит избыток окислителя, а при < 1 – избыток горючего.

В настоящее время в теплоэнергетике широко используются химические топлива состава: окислитель – атмосферный воздух; горючее – добываемые из недр вещества органического происхождения, которыми являются уголь, нефть, природный газ.

Антрацит, каменный и бурый уголь, торф, сланцы, дрова – относят

к твердым горючим естественного происхождения. Твердые горючие искусственного происхождения это кокс, древесный уголь, брикеты из древесных и растительных отходов.

Нефть – жидкое органическое горючее естественного происхождения. Из нефти путем ее переработки (принципиальная схема переработки нефти приведена на рис. 2.1) получают бензин, керосин, мазут и др., см. Последние являются органическими горючими искусственного происхождения.

Природные и попутные нефтяные газы (метан, этан, пропан, бутан) прекрасные органические горючие естественного происхождения. К искусственным газообразным горючим относятся генераторные газы (воздушной, водяной, подземной газификации), побочные газы (доменный, крекинговый).

Обычно энергия химического топлива освобождается в процессе горения в форме теплоты. Количество теплоты, выделившееся при сгорании

1 кг топлива, называют т е п л о т о й с г о р а н и я т о п л и в а, обозначают Q_в и измеряют в Дж/кг. Если в качестве окислителя используется воздух, то выделившееся тепло относят только к массе горючего. В большинстве случаев не удается использовать всю теплоту Q_в. поскольку часть ее уносится с парами воды в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты парообразования Q_w. Поэтому теплоту сгорания Q_в называют в ы с ш е й, а разность

Q_н = Q_в – Q_w – н и з ш е й т е п л о т о й с г о р а н и я.

В табл. 2.2 приведены значения Q_н при сгорании в воздухе ряда го-

рючих.

Таблица 2.2 – Низшая теплота сгорания некоторых горючих в воздухе

Горючее	Qн , МДж/кг
Нефть	40 … 46
Бензин	44 … 48
Дизельное горючее	42 … 45
Мазут	39 … 42
Природный газ	33 …40
Генераторный газ	5 … 6,5
Каменный уголь	25 … 27
Дрова	12 … 19
Торф	4 … 12

Для сравнительной оценки энергоресурсов различных источников введен единый эквивалент – у с л о в н о е т о п л и в о (у. т.). Расчетная теплота сгорания условного топлива равна 29,308 МДж/кг.

Технология получения искусственного углеводородного горючего из природной нефти объясняется рисунком 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема переработки нефти

Сырую нефть обезвоживают, удаляют из нее попутные газы, а затем нагревают до 350 ⁰С. Далее смесь паров и горячей нефти в ректификационной колонне при атмосферном давлении разгоняют на фракции: бензиновую (около 15%, t_к = 30…180 ⁰С); керосиновую (около 17%, t_к = 150 …280 ⁰С); газойлевую и соляровую (около 18% , t_к = 280 … 350 ⁰С). Жидкий осадок с температурой начала кипения 330 … 350 ⁰С называется мазутом.

2.1.2 Ядерная энергия

Ядерная энергия – энергия связи нуклонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер. В последнем случае её принято называть «термоядерной».

Промышленное использование ядерной (атомной) энергии стало возможным благодаря осуществлению искусственно регулируемого процесса расщепления ядер, которое происходит в результате бомбардировки нейтронами атомов делящегося вещества – я д е р н о г о т о п л и в а. Устройства, в которых протекает управляемая самоподдерживающаяся ядерная реакция называют я д е р н ы м и (атомными) р е а к т о р а м и.

В качестве ядерного топлива применяют в основном природный уран. Природный уран – это смесь трех изотопов с атомными массами 238, 235 и 234. Основная часть массы в количестве 99,28% приходится на долю U²³⁸ и только 0,714% – U²³⁵; 0,006% – U²³⁴. Из этих изотопов непосредственно используется U²³⁵, так как его ядра расщепляются под воздействием нейтронов любой энергии. Практическое использование U²³⁸ возможно при его обогащении ураном U²³⁵. С целью воспроизводства ядерного топлива на специальных заводах осуществляется сложнейший процесс разделения изотопов.

В реакторах на быстрых нейтронах из U²³⁸ получают новый делящийся материал – плутоний Pu²³⁹ , а из тория Th²³² – уран U²³³. Таким образом, количество ядерного топлива существенно увеличивается. По расчетам специалистов ядерные энергоресурсы можно увеличить в 15–25 раз.

При делении ядра U²³⁵ освобождающаяся энергия распределяется между различными продуктами деления следующим образом, МэВ:

– кинетическая энергия осколков деления . . . . . . ……. 168;

– энергия нейтронов деления . . . . . . . . . . . . . . . . . ………. 5;

– энергия мгновенного - излучения . . . . . . . . . . . …….. 5;

– энергия - распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………. 7;

– энергия фотонов - распада осколков деления . . …… 6;

– энергия нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 11.

В с е г о . . . . . . . . . . . . . . . … 220

Энергия, уносимая нейтрино, не может быть уловлена.

Кинетическая энергия осколков деления в теплоносителе преобразуется в теплоту. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает получение мощности

2000 кВт в течение года.

Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических стержней, которые обладают высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью, значительным сопротивлением термическим ударам (внезапным изменениям теплового режима при выключении и включении реактора). Но твердое металлическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую температуру плавления (t_пл = 1133 ⁰С), малую прочность и др. Эти недостатки в меньшей мере присущи различным видам керамического ядерного топлива – двуокиси урана UO₂ (t_пл = 2800 ⁰С), карбиду урана UC (t_пл = 2700 ⁰С) и др.

По мимо твердых, на базе указанных выше делящихся материалов, готовят жидкие и газообразные ядерные топлива.

Принципиальная схема ядерного реактора, работающего на медленных нейтронах, приведена на рис. 2.2.

Тепловыделяющие элементы (твелы) 1 устанавливаются в активной зоне реактора между замедлителями нейтронов 2. С целью защиты от коррозии и предотвращения разлетания осколков деления ядерное топливо размещается в оболочке из стали, либо алюминия или циркония. Используемые оболочки, как правило цилиндрической формы. В качестве замедлителя нейтронов используют графит, бериллий, воду и др. Количество поглощаемых нейтронов, а следовательно и мощность реактора регулируется изменением глубины погружения в активную зону регулирующих стержней 3 (материал стержней – бор и кадмий). Большая часть кинетической энергии осколков делящегося ядерного топлива поглощается теплоносителем и нагревает его. Роль теплоносителя могут выполнять жидкие вещества (вода, расплавленный металл) или газы (гелий, воздух). Для защиты от радиоактивных излучений активная зона ядерного реактора ограждена толстыми (1,5 – 2 м) бетонными стенами 4. Отражатель 5 предотвращает утечку нейтронов из реактора. В настоящее время в мире создано большое количество типов ядерных реакторов, как для стационарных атомных станций, так и для различных транспортных средств. На рис. 2.3 приведена принципиальная схема водоводяной атомной электростанции.

К достоинствам ядерного топлива относят:

- высокую удельную энергию;

- сравнительную простоту доставки к энергоустановкам;

- отсутствие выбросов в атмосферу вредных газов.

Ограничения в использовании ядерной энергии обусловлены проблемами, возникающими при эксплуатации реакторов, а также относительной дороговизной ядерного топлива и сложностью утилизации его отходов.