Передача энергии

По книге Твайделл Джон, Уэйр Антони Возобновляемые источники энергии — Москва: Энергоатомиздат. 1990.

Передача энергии

Введение.

В табл. 1 представлены основные используемые в энергетике методы передачи энергии потребителям.
Методы разделены на категории в зависимости от того, лежат ли в их основе непрерывные способы подачи (например, трубопроводы) или периодические (например, с помощью судов), а также от того, пригодны ли они для использования на длинных, средних или коротких расстояниях. Здесь же приведены характерные желательные значения величин энергетических потоков для отдельных типичных случаев (например, при передаче по отдельной нитке трубопровода). Хотя эти потоки по масштабам варьируются в широких пределах, их удельные значения на практике оказываются замечательным образом подобными и составляют примерно 10 МДж (100 Вт) на одного пользователя в день. В последующих параграфах и задачах 16.6— 16.8 величинам, приведенным в табл. 1, дается обоснование.
Для устройств, преобразующих возобновляемую энергию, источники которой обычно распределены в пространстве и имеют низкую интенсивность, более актуальна передача энергии на короткие расстояния, нежели на длинные; перемещение биомассы на небольшие расстояния и подача тепла внутри здания — наиболее характерны. Энергию от устройств, приводимых в действие механическими перемещениями — потоками воды, ветром, волнами — лучше передавать в виде электроэнергии, которую непосредственно могут использовать потребители. Если получение водорода станет обычным способом аккумулирования энергии, то его»передача по трубопроводам и дополнительное преобразование в месте поступления, по всей вероятности, будут крупномасштабными.
Газопроводы. В трубопроводах, используемых для подачи газообразного топлива, мы обычно имеем дело с турбулентными дозвуковыми потоками. К таким трубопроводам применима теория, изложенная в § 2.7. Правда, на ее интерпретацию влияет сжимаемость газа.

Таблица 1. Основные средства передачи энергии на расстояние и соответствующие им потоки энергии

В соответствии с формулой (12.12) градиент давления вдоль отрезка трубы диаметром D равен
(16.20)
где ξ — коэффициент сопротивления; р и и — плотность и средняя скорость потока соответственно.
В установившемся потоке газа р и и по длине протяженного трубопровода изменяются, но массовый расход
т = риА                                                                (16.21)
остается постоянным. Здесь A = nD2/4 — площадь поперечного сечения.
Кроме того, плотность р изменяется при изменении давления Р'  P—(RT/М)р = Кр    (16.22)
при более или менее постоянном К для данного газа. Здесь R — универсальная газовая постоянная: Т — абсолютная температура; М — грамм-молекулярная масса/1000 (чтобы привести к килограмму на моль). Если число Рейнольдса велико, ξ не будет существовенно  изменяться вдоль трубопровода и можно проинтегрировать (16.20) на каком-то участке от х\ до *2, получив(16.23)
Таким образом, давление достаточно быстро падает вдоль трубопровода, и для обеспечения подачи газа необходимо довольно часто устанавливать компрессорные станции. В качестве численного примера укажем, что для подачи через трубопровод диаметром 30 см метана при среднем давлении в 40 раз выше атмосферного, необходимо поддерживать энергию потока, вкладывая около 500 МВт, что весьма существенно (пример 16.7).
Согласно (16.23) трубопроводы большего диаметра обладают меньшими потерями. На возможность применения трубопроводов сильное влияние оказывает обеспечение наиболее экономичного соотношения между размерами трубопроводов (капитальные затраты) и необходимым количеством компрессорных станций (затраты на обслуживание). Стоимость сооружений сильно колеблется, но на практике расходы не превышают 0,2 долл/ (Гдж-103 км).
Сжимаемость газа дает возможность получить дополнительную выгоду. Трубопровод сам по себе может быть использован в качестве временного хранилища за счет закачивания в него газа с большим расходом, чем это требуется на выходе. При этом сжатый газ накапливается. Для трубопровода, описанного выше, энергия, запасенная в 100-километровом отрезке, оказывается равной
0,79(32 кг/м3) (50 МДж/кг) (105 м) (0,3 м)2 = 11,3-106 МДж/ 100 км.