§ 2.3. Роль энергии в технологических процессах

Все технологические процессы в промышленности связаны с затратой или выделением энергии, или со взаимными превращениями энергии одного вида в дру­гой. Энергия необходима как для проведения самого тех­нологического процесса, так и для транспорта сырья и готовой продукции, для вспомогательных операций (сушки, дробления, фильтрации и др.). Поэтому все тех­нологические процессы являются потребителями энергии.

Наиболее широкое практическое применение в про­мышленности имеют электрическая, ядерная, тепловая, химическая и другие виды энергии.

Электрическая энергия в промышленности применяется для получения механической энергии, для осуществления физических и механических процессов обработки материалов, дробления, измельчения, переме­шивания, центрифугирования и т. д., для нагревания, про­ведения электрохимических реакций, использования элек­тростатических явлений (осаждение пылей и туманов, электрокрекинг). Источником электрической энергии является энергия воды на гидростанциях (ГРЭС) и пре­вращение тепловой энергии, полученной при сгорании топлива (тепловые электростанции — ТЭЦ) или в резуль­тате ядерных реакций (атомные электростанции — АЭС), в механическую, а затем механической в электрическую.

Всестороннее развитие народного хозяйства СССР требует дальнейшего развития электроэнергетики. Про­изводство электроэнергии в 1985 г. составит 1550—1600 млрд. кВт • ч. Большое внимание уделяется электровоору­женности труда, электрификации силовых и вспомога­тельных процессов, комплексной механизации и автома­тизации производства, на осуществление которых преду­смотрено использовать около */з количества энергии, потребляемой всей промышленностью в целом. Совре­менный период развития промышленности характери­зуется все возрастающим применением электроэнергии в электрофизических и электрохимических процессах, в электрометаллургии стали, ферросплавов, цветных ме­таллов.

Весь дефицит топливно-энергетического баланса дол­жен в перспективе покрываться за счет существенного расширения доли атомной энергетики. Мировые запасы ядерного горючего обладают энергией, превосхо­дящей в десятки раз потенциальную энергию разве­данных запасов угля, нефти и природного газа, вместе взятых. С целью экономии и правильного использования природного невозобновляемого горючего сырья необхо­димо интенсивно развивать атомную энергетику.

Атомные электростанции (АЭС) обладают высоким коэффициентом полезного действия и являются важными поставщиками электроэнергии. Так, например, при распа­де 1 г урана-235 выделяется такое количество тепловой энергии, которое затем превращается в 1000 кВт • ч элек­троэнергии. Иными словами, при распаде 1 т урана-235 выделяется количество теплоты, эквивалентное сгоранию 300000 т высококачественного каменного угля.

Большинство современных АЭС работает с реактора­ми на тепловых медленных нейтронах, использующих в качестве ядерного горючего дефицитный уран-235. В ядерных реакторах теплота, возникающая в результате деления ядер урана, нагревает жидкость, прокачиваемую через ураносодержащие тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ); тепловая энергия в турбинах превращается в ме­ханическую, а затем в электрическую. Наиболее высокой эффективностью отличаются реакторы-размножители, работающие на быстрых нейтронах и использующие наиболее доступное ядерное горючее уран-238. Строительство АЭС на быстрых нейтронах большой мощности — генеральная линия дальнейшего развития атомной энергетики в нашей стране.

Тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, выпарки, сушки, перегонки и т. д.), а также и качестве источника теплоты для проведения эндотермических реакций. В виде теплоносителей могут быть использованы топочные газы, водяной пар, перегретая вода, органические теплоносители, что обеспечивает равномерный обогрев, высокое качество получаемой промышленной продукции. Топливо широко применяется в энергетике для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Химическая энергия, выделяющаяся в процессе экзотермических химических реакций, служит ценным источником теплоты для обогрева реагентов, использует­ся для проведения эндотермических химических процес­сов. Например, в производстве аммиачной селитры теплота, выделяющаяся в результате экзотермической ре­акции, используется для выпаривания реакционной массы и ее кристаллизации.

Химическая энергия применяется в гальванических элементах и аккумуляторах, где она преобразуется в электрическую. Эти химические источники энергии ха­рактеризуются высоким к. п. д.

Помимо невозобновляемых источников энергии (по­лезных ископаемых) существуют также возобновляемые ресурсы, которые имеют в настоящее время сравнитель­но небольшое применение. Это энергия ветра, течения воды рек, морских приливов, терминальная и геотермаль­ная энергия (теплота подземных источников, морей и океанов).

Геотермальная энергия — это запасы теплоты, имею­щейся в глубинах земли. Особенный практический инте­рес представляют горячие источники воды и пара (гей­зеры). Они используются как для отопления, проведения высокотемпературных процессов, так и для производства электроэнергии.

Ветер как носитель кинетической энергии использует­ся человеком уже многие века (парусный флот, ветряные мельницы). В Советском Союзе созданы и применяются ветродвигатели для сельскохозяйственных работ, подъе­ма и перекачки воды.

Энергия рек широко используется в производстве электроэнергии в СССР и странах, богатых гидроресур­сами. Например, в Норвегии гидроэлектроэнергия соста­вляет 99,7% в энергетическом балансе, а во Франции и Италии она соответственно равна 50 и 58%.

Энергия морских приливов есть разновидность гидро­энергии водного потока. Морские приливы обладают огромной энергией, зависящей от высоты приливной вол­ны, которая достигает 10 — 20 м. Мировой технический потенциал морских приливов составляет около 500 млн. т условного топлива в год. В нашей стране предста­вляет интерес использование этого источника энергии для районов побережья Баренцева, Белого и Охотского морей. Сделаны первые исследования на пути к практи­ческому использованию этого источника энергии.

Световая (и фото-) энергия приобретает все большее значение в промышленности, используется при создании фотоэлементов, фотоэлектрических датчиков, автоматов и т. д., а также для реализации большого числа фотохи­мических процессов в химической технологии. Перспек­тивным источником энергии является энергия Солнца. Благодаря атомным реакциям синтеза ядер водорода и углеводорода Солнце излучает в мировое пространство колоссальное количество световой и тепловой энергии. Человечество уже давно применяло тепловую энергию солнечных лучей. В настоящее время широко известно применение солнечных батарей на космических кораблях. Солнечную тепловую энергию целесообразно применять в южных районах для промышленных и бытовых целей (плавление металлов в солнечных печах, кипячение воды, нагревание жидкостей и др.).