Роль енергії в технологічних процесах

Всі технологічні процеси в промисловості пов’язані з витратою або виділенням енергії, або із взаємними перетвореннями енергії - одного виду в іншій. Енергія необхідна як для проведення самого технологічного процесу, так і для транспорту сировини й готової продукції, для допоміжних операцій (сушіння, дроблення, фільтрації й ін.). Тому всі технологічні процеси є споживачами енергії.

Найбільш широке практичне застосування в промисловості мають електричний, ядерний, тепловий, хімічний і інший види енергії.

Електрична енергія в промисловості застосовується для одержання механічної енергії, для здійснення фізичних і механічних процесів обробки матеріалів, дроблення, здрібнювання, перемішування, центрифугирования й т.д., для нагрівання, проведення електрохімічних реакцій, використання електростатичних явищ (осадження пилів і туманів, электрокрекинг). Джерелом електричної енергії є енергія води на гідростанціях (ГРЭС) і перетворення теплової енергії, отриманої при згорянні палива (теплові електростанції - ТЭЦ) або в результаті ядерних реакцій (атомні електростанції - АЕС), у механічну, а потім механічної в електричну.

Хімічна енергія, що виділяється в процесі екзотермічних хімічних реакцій, служить цінним джерелом теплоти для обігріву реагентів, використовується для проведення ендотермічних хімічних процесів. Наприклад, у виробництві аміачної селітри теплота, що виділяється в результаті екзотермічної реакції, використається для випарювання реакційної маси і її кристалізації.

Геотермальна енергія - це запаси теплоти, наявної в глибинах землі. Особливий практичний інтерес представляють гарячі джерела води й пари (гейзери). Вони використаються як для опалення, проведення високотемпературних процесів, так і для виробництва електроенергії.

- Енергія рік широко використається у виробництві електроенергії в СРСР і країнах, багатих гідроресурсами. Наприклад, у Норвегії гідроелектроенергія становить 99,7% в енергетичному балансі, а у Франції й Італії вона відповідно дорівнює 50 і 58%.

- Енергія морських припливів є різновид гідроенергії водного потоку. Морські припливи мають величезну енергію, що залежить від висоти приливної хвилі, що досягає 10 - 20 м. Світовий технічний потенціал морських припливів становить близько 500 млн. т умовного палива в рік.

- Світлова (і фото-) енергія здобуває все більше значення в промисловості, використовується при створенні фотоелементів, фотоелектричних датчиків, автоматів і т.д., а також для реалізації великої кількості фотохімічних процесів у хімічній технології. Перспективним джерелом енергії є енергія Сонця. Сонячну теплову енергію доцільно застосовувати в південних районах для промислових і побутових цілей (плавлення металів у сонячних печах, кип’ятіння води, нагрівання рідин і ін.).

Електростанцією називають підприємство, на якому виробляють електричну енергію.

Назва електростанції походить від назви виду енергії, яку перетворюють на електричну.

1. Гідроелектростанція. Гідроелектростанцією (ГЕС) називають гідротехнічну споруду, призначену для перетворення енергії потоку води на електричну.

Складовими частинами ГЕС є гребля, яка затримує воду у водосховищі, гідротурбіна та електричний генератор. Енергія води, яка падає з висоти понад 200 м на лопаті турбіни в електричному генераторі, перетворюється на електричну енергію.

Крім ГЕС будують гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), які вночі нагромаджують електроенергію, що виробляють інші електростанції, а в час "пік" віддають її. Перша ГАЕС побудована на Дніпрі поблизу Києва.

Недоліком великих ГЕС є створення штучних морів, які забирають великі площі часто родючих земель і порушують природну рівновагу.

2. Вітрова електростанція. Запаси вітрової енергії безмежні. Першу в СРСР вітрову електростанцію (ВЕС) споруджено під курском у 1929 р., а через рік- більш потужну у Криму, її потужність - 100 кВт. Дослідження останніх років показали, що вартість виробленої електричної енергії на вітрових електростанціях нижча ніж на інших. Коефіцієнт корисної дії сучасних вітродвигунів досягає 45%.

3. Теплова електростанція. У наш час теплові електростанції (ТЕС) є головним джерелом електроенергії. Дія ТЕС ґрунтується на перетворенні теплової енергії водяної пари або газу на механічну енергію обертання парової або газової турбіни, а потім за допомогою електричного генератора - на електричну. У процесі такого подвійного перетворення багато енергії втрачається.

Основні частини ТЕС: котельня, парова турбіна та генератор електричного струму. У котельні отримують водяну пару. Для отримання водяної пари у печі згоряє паливо. Теплота, що виділяється при горінні палива, нагріває воду, яка перетворюється на пару. Пару під великим тиском спрямовують в парову турбіну - головну частину ТЕС. У турбіні пара розширюється, тиск падає й енергія пари перетворюється на механічну енергію. Парова турбіна приводить в рух ротор генератора, який виробляє електричну енергію (струм).

Теплоелектроцентраль. У великих містах будують теплоелектроцентралі (ТЕЦ).

Теплоелектроцентраллю називають теплову електростанцію, яка виробляє не лише електричну енергію, а й теплову у вигляді гарячої води та пари.

На ТЕЦ відпрацьовану пару, яка ще має досить великий запас теплової енергії, з парової турбіни напрямляють до споживача і на станцію не повертають. Це один шлях використання теплової енергії відпрацьованої пари. Існує також інший: пара віддає свою теплоту воді в теплообміннику і вже нагріта вода надходить до споживача, а пару повертають назад у систему. Пару від ТЕЦ передають на кілька кілометрів, а гарячу воду - на кілька десятків кілометрів (30 км і більше).

4. Сонячна електростанція. Для отримання водяної пари на сонячній електростанції (СЕС) воду нагрівають енергією Сонця. Першу СЕС збудовано в Криму. 1і потужність - 5 МВт. Висота центральної вежі СЕС разом із парогенератором - 89 м. На висоті 78 м поміщено казан, на який подають сонячну енергію дзеркальні геліостати. Площа всіх дзеркал дорівнює 40000 м². Пара, утворена в казані в процесі нагрівання води, має температуру 225°С і тиск 2,6 МПа. Цих параметрів досить для руху турбіни, а з нею і ротора генератора, який завершує цикл перетворення сонячної енергії на електричну. Кожне дзеркало обертається навколо вертикальної та горизонтальної осей.

Сонячна електростанція не забруднює довкілля, тому за нею майбутнє.

5. Атомна електростанція. Якщо атоми урану бомбардувати нейтронами, то з кожного ядра утвориться по два осколки і кілька нейтронів. Нейтрони, вдаряючись об інші ядра, спричиняють ланцюгову реакцію поділу нових ядер. Під час поділу ядер енергія зв’язку переходить у кінетичну енергію осколків і виділяється у вигляді теплоти, коли осколки гальмуються в речовинах. Цю вміло зібрану теплоту використовують для нагрівання води й утворення водяної пари, яка приводить в рух турбіну.

Принцип роботи АЕС. Теплоту з ядерного реактора відводять за допомогою теплоносія, який помпами переганяють через активну зону (простір, де перебуває ядерне паливо). Теплоносієм використовують розплавлений натрій, воду тощо. Цю замкнену систему називають першим контуром.

У теплообміннику теплоносій першого контуру віддає теплоту тоді, яку переганяють у другому контурі. Вода, нагрівшись до кипіння, перетворюється на пару. Утворену пару спрямовують у турбіну або використовують для обігрівання будівель і промислових підприємств. Традиційно теплоту від реактора на швидких нейтронах відбирають за допомогою трьох циркуляційних систем (трьох контурів) (рис. 4.1): перша та друга системи наповнені натрієм, третя - водою.

Рисунок 4.1– Ілюстративна схема енергоматеріальних потоків
блока атомної електростанції (АЕС):

1 — атомний котел; 2 — тепловиділяючі елементи з ядерним паливом; 3 — стержні, які регулюють коефіцієнт розмноження нейтронів (енергоактивність); 4 — первинний водяний контур високого тиску; 5 — вторинний пароводяний контур; 6 — парова турбіна; 7 — електрогенератор; 8 — теплообмінник; 9 — насоси

фконтур

Другий контур упроваджено для підвищення надійності та безпеки реактора, гарантування його роботи навіть у разі неполадок у парогенераторі. Парогенератор складається з 20 тисяч трубок, усередині яких під тиском циркулює вода (перегріта пара); назустріч воді між трубками тече розплавлений натрій. Натрій через стінки трубок віддає свою теплоту воді. Вода, нагріваючись, перетворюється на пару, яку спрямовують у турбіну. Порушення герметичності хоча б в одній із трубок спричиняє вихід води з контуру та взаємодію її з натрієм, а потім вихід з ладу парогенератора. Має місце аварія.

Раціональне використання енергії

Переробні, обробні та інші галузі промисловості мають потребу в усіх видах енергії. Показником енергомісткості того чи іншого технологічного процесу є витрата енергії на одиницю отриманої продукції (наприклад, 1 т, 1 м). Цей показник на різних підприємствах різний, навіть коли це однакова продукція. Дуже енергомісткими є продукція чорної, кольорової металургії та електрохімічних підприємств. Чим менше енергії витрачається на виробництво одиниці продукції, тим менша собівартість продукції і, навпаки, у процесі виробництва металів, фосфору, хлору - це одна з головних статей затрат.

Зменшити енергомісткість продукції можна різними шляхами: використанням вторинних енергоресурсів, удосконаленням технологічного обладнання, заміною енергомістких технологічних процесів процесами незначної енергомісткості, кращим підготовленням сировини до перероблення тощо.

1. Використання вторинних енергоресурсів. Продукція, що виходить з реактора, у більшості випадків, нагріта до високої температури. Теплоту продукції можна використати для попереднього нагрівання сировини, яка надійде в той самий реактор.

2. Удосконалення обладнання. Через недосконалість обладнання велика кількість енергетичних ресурсів втрачається або використовується нераціонально. У кожному технологічному процесі існують різні шляхи вдосконалення технологічного обладнання та раціонального використання вторинних енергоресурсів. Так, у ході електрохімічних процесів витрати електроенергії зменшаться, якщо вдосконалити.

3. Апарати, контакти підведення електричної енергії та зменшити відстань між електродами. У дугових печах зменшення витрат електроенергії досягається збільшенням кількості електродів і поліпшенням конструкції електричних печей. Раціональніше використовується теплота газів у мартенівських двованних печах, ніж в однованних.

4. Заміна енергомістких технологічних процесів ощадливими процесами. Зменшити енергомісткість технологічних процесів можна заміною їх на каталізні чи інші процеси, для виконання яких потрібні менші витрати енергії або застосуванням ультразвуку, магнітного поля, вакууму тощо. Наприклад, високотемпературний крекінг нафтопродуктів замінили на каталізний.

Дата добавления: 2014-01-07