Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






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 Сbc Hbh Obo Nbn . Здесь индекс у химического элемента означает число грамм-атомов этого элемента в соединении.

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

bi = 1000, (2.1)

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

Ai – атомная масса i -го элемента.

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

qi = , (2.2)

где zi – 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.



qн = и qo= .

 

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

bн = и bo = .

Отсюда условная химическая формула воды будет иметь вид: H111 O55,6 .

Условная химическая формула воздуха записывается выражением N52,91 O14,48 , а бензина – C72,25 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;

bi – 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 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 Qв 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 Qв. поскольку часть ее уносится с парами воды в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты парообразования Qw. Поэтому теплоту сгорания Qв называют в ы с ш е й, а разность

Qн = Qв – Qw – 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 Qн 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%, tк = 30…180 0С); керосиновую (около 17%, tк = 150 …280 0С); газойлевую и соляровую (около 18% , tк = 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 (tпл = 1133 0С), малую прочность и др. Эти недостатки в меньшей мере присущи различным видам керамического ядерного топлива – двуокиси урана UO2 (tпл = 2800 0С), карбиду урана UC (tпл = 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 деленияядерное топливоразмещается 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.

 

 


 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!