Транспорт биомассы.
Биомассу можно доставлять контейнерами подходящего размера вручную, по дорогам, по рельсам, по водным путям. Однако из-за низкой плотности большинства видов биомассы редко бывает экономически целесообразно перевозить ее на большие расстояния (более 1000 км). Впрочем, даже на средних расстояниях (1 —1000 км) неоправданно дорого перевозить биомассу только ради получения энергии. Экономически и экологически оправданным оказывается энергетическое использование потока биомассы только в том случае, когда ее предварительно используют для других целей, например при извлечении сахара из сахарного тростника. В этом случае поток использованной биомассы идет на топливо для той же фабрики. Тогда транспортировка топлива может классифицироваться как «чистая» (см. § 11.1). В свою очередь биотопливо может передаваться и на средние, и даже на длинные дистанции после преобразования сырой биомассы (например, посредством пиролиза, см. § 11.5).
В качестве альтернативы биомасса может использоваться непосредственно вблизи ее источника. Так обычно происходит при сжигании древесины, остающейся наиболее важным источником энергии в большинстве развивающихся стран.
Тепло.
Движение тепла внутри зданий через специально встроенные калориферы или по трубам парового отопления — основной пример передачи энергии на очень короткие расстояния. Это особенно актуально для холодного климатического пояса, где на обогрев идут основные затраты энергии (см., например, рис. 16.2).. Передача тепла с помощью пара используется также во многих производственных процессах.
Передача тепла ограничивается малыми расстояниями из-за тепловых потерь через стенки трубопроводов.
Пример 16.4. Потери тепла трубопроводом парового отопления. Трубопровод диаметром 5 см используется для подачи тепла на расстояние 100 м. Он изолирован с помощью слоя стекловаты толщиной х—\ см. Оцените потери тепла вдоль трассы, приняв 7^ =10° С.
Решение. В качестве первого приближения примем, что пар имеет температуру 7\,= 100°С вдоль всего трубопровода (пар высокого давления в действительности имеет более высокую температуру, см. справочники по инженерной термодинамике). Теплопроводность стекловаты λ=0,04 Вт/(м*К) — подобно другим изоляторам, использующим воздушные микропоры. Основной вид потерь тепла — теплопроводность через изолятор, таким образом, согласно (3.9)
Этот расчет выполнен без учета скорости потока в трубопроводе. Очевидно, что при передаче больших потоков тепла (более 10 МВт) относительные потери соответственно уменьшаются. Во многих городах функционируют действующие на этом принципе районные теплосети.
Другой способ транспортировки больших количеств тепловой энергии на короткие расстояния — использование тепловых труб. В таких трубах, частично заполненных жидким, а частично — парообразным теплоносителем, круговорот которого происходит за счет капиллярных явлений в пористом фитиле, эффективная теплопроводность оказывается выше, чем у меди.
Задачи
16.1. Изменение энтальпии, свободной энергии и энтропии при образовании воды в процессе реакции
Δ#= — 242 кДж/моль, AG =—228 кДж/моль, AS =—64 Дж/(К*моль).
Вычислите температуру, выше которой Н2О термодинамически нестабильна. Рекомендация: воспользуйтесь (16.1).
- Пассажирский автобус, испытывавшийся в Швейцарии, приводился в движение с помощью энергии, запасенной в маховике. Маховик разгонялся на стоянках электромотором, подключаемым к электросети. Маховик представлял собой сплошной стальной цилиндр массой 1000 кг, диаметром 180 см и мог вращаться с частотой 3000 об/мин.
а) Какова кинетическая энергия маховика при максимальной скорости?
б) Каково среднее время между стоянками для зарядки, если средняя мощность, потребляемая автобусом, составляет 20 кВт?
- Маховик из трех одинаковых стержней, вращающихся вокруг общего центра, выполнен из композита на основе стекловолокна плотностью р = 2200 кг/м3 и с пределом прочности σ = 3500 МН/м2. Волокна направлены вдоль стержней и связаны между собой с помощью минимального количества компаунда (10%) с пренебрежимой прочностью и подобной стекловолокну плотностью. Определите максимальную достижимую с помощью такого маховика плотность энергии. Какова соответствующая угловая скорость при а =1,0 м2.
- Проверьте, что данные, приведенные на рис. 16.2, соответствуют действительности.
а) Население Великобритании составляет примерно 50 млн. человек. Какова общая потребность в энергии в расчете на одного человека по сравнению со средним мировым 2 т условного топлива?
б) Каким образом «нетепловые» потребности изменяются от сезона к сезону? Какому типу промышленной деятельности это соответствует?
в) Пик потребления, отмечаемый зимой, соответствует дневной температуре — 3° С. Сколько тепла приходится на одно хозяйство? Вероятно ли это? (График, соответствующий потреблению тепла (см. рис. 16.2) включает и нехозяйственное использование).
г) Примените данные гл. 4 (особенно рис. 4.16) для оценки количества солнечного тепла, падающего на 1 м2 горизонтальной и вертикальной (южная сторона) поверхностей в зависимости от сезона, приняв, что Великобритания расположена на 50° сев. широты. Какова типичная эффективность солнечного нагревателя? Какая площадь коллектора необходима, чтобы обеспечить мощность, требуемую на .обогрев согласно рис. 16.2? Будет ли эффективным использование пассивных солнечных устройств в сочетании с теплоизоляцией, управляемой вентиляцией?
д) Какова примерно электрическая мощность, получаемая с 1 м2 площади, ометаемой ветроколесом при средней скорости ветра 8 м/с [см. (9.73)]? Суша и спокойные прибрежные воды Великобритании можно (достаточно грубо) аппроксимировать двумя прямоугольниками 1000*200 км, обращенными большими сторонами к преимущественным ветрам. Предположим, что используются ВЭУ с ветроколесом диаметром 100 м при средней скорости 8 м/с на оси колеса. Сколько ВЭУ потребуется, чтобы на территории всей страны вырабатывать среднюю мощность 30 ГВт? Каково было бы среднее расстояние между ними, если бы половина установок размещалась на суше, а половина — на поверхности воды?
е) Воспользуйтесь картой распределения мощности волн (см. рис. 12.12), чтобы определить, какова должна быть суммарная протяженность линии преобразователей волновой энергии вдоль западного и северного побережья Великобритании для получения мощности 30 ГВт.
- Наибольшая величина магнитной индукции, которую можно сравнительно просто получить с помощью обычного электромагнита, Во~\ Тл. Плотность энергии магнитного поля равна WV = B2/2μ0. Определите Wv при B = BQ.
- Рассчитайте энергетические потоки в следующих случаях:
а) В 1984 г. около 30 млн. баррелей нефти в день вывозилось судами из района Персидского залива (1 баррель =180 л).
б) По трубопроводу, проложенному от Ирака до Средиземного моря, ежегодно перекачивается 10 млн. т сырой нефти.
в) Семья из четырех человек в домашнем хозяйстве использует на приготовление пищи 13 кг сжиженного газа.
г) Автомобиль той же семьи пробегает в год 8000 км, расходуя 7 л/км.
д) Сельский житель в Папуа (Новая Гвинея) тратит 2 ч, чтобы принести на своей спине вязанку дров массой 20 кг.
е) 3 т древесного топлива доставляют в город колесным транспортом при скорости 30 км/ч.
- Газообразный метан (СН4) подается по стальному трубопроводу диаметром 30 см. Вдоль трубопровода на расстоянии 100 км друг от друга расположены компрессорные станции. На каждой из них давление газа повышается с 3 до 6 МПа. Определите массовый (а) и энергетический (б) потоки. Какой объем газа ежедневно перекачивает каждая компрессорная станция (в)? Рекомендация: предварительно определите ς, положив число Рейнольдса достаточно высоким. Затем найдите т и изменение плотности. Если необходимо, то сделайте второе приближение. Вязкость метана при заданных давлениях равна КГ5 Н-с/м2.
- Высоковольтная (220 кВ) линия электропередачи протяженностью 200 км связывает город с ГЭС мощностью 200 МВт. Провода линии рассчитаны на рассеяние 1% передаваемой мощности. Определите необходимое поперечное сечение проводов и объясните, почему потери 1% мощности экономически предпочтительнее потерям в 10 или в 0,1%.
Решения
- 3800 К (считаем, что АЯ и т. д. независимы от Т).
- а) 20 МДж; б) 16 мин.
- 0,5 МДж/кг; 1,8*103 рад/с=17 000 об/мин.
- а) 2 т условного топлива в год умножить на 50 · 106 = 150 ГВт.
б) В среднем на 60 ГВт; перерабатывающая промышленность и т. д.
в) 14 кВт на хозяйство; нет, реальная потребность около 1 кВт.
г) По графикам рис. 4.16 25 м2 на дом летом, 360 м2 зимой. Возможно, однако маловероятно без дополнения тепловым аккумулятором.
384
д) 90 Вт/м2. При диаметре ветроколес 100 м необходимо примерно 30 000 ВЭУ. Площадь каждой равна 2 - (2 - 10м м2)/30 000. Среднее расстояние — около 3 км.
е) 400 км при 70 кВт/м. Соответствует.
Примечание: этот «пакет» ответов показывает, что применение возобновляемой энергии сулит значительный выигрыш даже для страны, обладающей собственными источниками нефти и газа.
- 0,4 МДж/м2.
- См. табл. 16.2.
- а) 11 кг/с; б) 540 МВт; в) 1,3· 106м3/день.
- В случае медного провода полное поперечное сечение равно 1500 мм2 (4 проводника диаметром 22 мм каждый).
