ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА отрасль теплотехники,
занимающаяся
преобразованием теплоты в др. виды энергии, гл. обр. в механическую и электрическую.
Для генерирования механич. энергии за счёт теплоты служат теплосиловые
установки; полученная в этих установках механич. энергия используется для
привода рабочих машин (металлообр. станков, автомобилей, конвейеров и т.
д.) или электромеханич. генераторов, с помощью к-рых вырабатывается
электроэнергия. Установки, в к-рых преобразование теплоты в электроэнергию
осуществляется без электромеханич. генераторов, наз. установками прямого
преобразования энергии. К ним относят магнитол идродинамические генераторы,
термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии.

Преобразование теплоты в механическую
энергию в теплосиловых установках основано на способности газо- или парообразного
тела совершать механич. работу при изменении его объёма. При этом
рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность
термодинамич. процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или
неск. источников теплоты отбирается определённое количество теплоты Qодному или неск. источникам теплоты отдаётся количество теплоты Qменьшее, чем Qi; при этом разность (Qв механич. работу A. Отношение полученной
работы к затраченной теплоте наз. термин, кпд этого цикла

В простейшем случае цикл может быть
осуществлён при одном источнике теплоты с темп-рой Т,
отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с темп-рой Твоспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале
Т- ТТ/Т
среди всех возможных циклов имеет Карно цикл, т. е. n >= nКпд,
равный 1, т. е. полное превращение теплоты Oi в работу, возможен
либо при Т оо , либо при T .
Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Важно ещё подчеркнуть, что
для земных условий темп-pa Тдолжна в лучшем случае приниматься равной темп-ре Т„ окружающей
среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с темп-рой Т<
То можно лишь с помощью холодильной машины, к-рая для
своего действия в общем случае требует затраты работы. Невозможность полного

превращения теплоты в работу при
условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены
в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.

Процессы, протекающие в реальных
установках, преобразующих теплоту в др. виды энергии, сопровождаются различными
потерями, в результате чего получаемая действит. работа Аоказывается меньше теоретически возможной работы Лтеор. Отношение этих
работ наз. относит, эффективным кпд установки n

Из формул (1) и (2) получаем

где
- эффективный кпд установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования
теплоты в работу зависит от темп-ры, при к-рой эта теплота передаётся рабочему
телу. Макс, работа, к-рая может быть получена за счёт нек-poro количества
теплоты Q, отбираемого при темп-ре Т i при заданной темп-ре среды
Тназ.
работоспособностью, или эксергией l

Из формулы (3), в частности,
видим, что при ТТ эксергия теплоты
равна нулю.

В наиболее полном варианте установки,
преобразующие теплоту в механич. работу (теплосиловые установки),
включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамич.
процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от к.-л.
источника тепловой энергии; одну или неск. машин, воспринимающих работу
рабочего тела или отдающих ему работу; систему отвода теплоты от рабочего
тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают
установки с внеш. подводом (теплота подводится к рабочему телу от внеш.
источника в теплообменнике) и установки с внутр. подводом (рабочее
тело - продукты сгорания топлива).

Тепловые электростанции.< Основу
совр. Т. (1975) составляют теплосиловые установки паротурбинных
электростанций, к-рые состоят из котлоагрегата и паровой турбины
(т.
н. паросиловые установки). В СССР на таких электростанциях в 1975
было выработано более 80% всей электроэнергии. В крупных городах чаще всего
строятся теплофикационные электростанции (ТЭЦ), а в районах
с дешёвым топливом - конденсационные электростанции (КЭС).

Отличие ТЭЦ от КЭС состоит в том,
что ТЭЦ отдаёт потребителю не только электроэнергию, но и теплоту с сетевой
водой, нагретой в бойлерах до 150-170 "С. Сетевая вода по магистральным
теплопроводам подаётся в жилые массивы и далее либо непосредственно, либо
через промежуточные¹ теплообменники направляется на отопление
и горячее водоснабжение. Турбины ТЭЦ помимо регенеративных отборов пара
имеют один или неск. регулируемых теплофикационных отборов. Такая турбина
работает по графику теплового потребления, и в наиболее холодное время
года пропуск пара в конденсатор практически равен нулю. Отопление от ТЭЦ
экономичнее, чем от индивидуальных и даже центр, котельных, т. к. на ТЭЦ
сетевая вода подогревается отработавшим паром, темп-ра (а значит, и эксергия)
к-рого
лишь немногим выше темп-ры сетевой воды. В котельных для повышения экономичности
используется теплота при макс, темп-ре горения топлива.

Упрощённая принципиальная схема конденсационной
паротурбинной электростанции изображена на рис. В топке котлоагрегата сжигается
топливо (уголь, мазут или природный газ). Необходимый для сгорания
воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном
воздухоподогревателе, подаётся в топку дутьевым вентилятором. Продукты
сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах
котлоагрегата и с темп-рой 130-150 °С через золоуловитель поступают в дымосос,
к-рый выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту
в механич. работу,- водяной пар. Перегретый водяной пар поступает
из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. Давление пара перед
турбиной на крупных электростанциях достигает 35 Мк/м² при
темп-ре 650 °С. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы,
образованные криволинейными лопатками, закреплёнными по окружности ротора,
и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механич.
энергия
ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханич.
генераторе.
Паровая турбина чаще всего выполняется в двух или трёх корпусах. Пар, поступающий
из первого корпуса турбины во второй, иногда вновь направляется в парогенератор
для промежуточного перегрева в пароперегревателе. Отработав в турбине,
пар конденсируется в конденсаторе, в к-ром поддерживается давление 0,003-0,005
Ми/м² и темп-ра 25-29 °С. Полученный конденсат насосом
подаётся в систему регенеративных подогревателей (где подогревается до
230-260 °С за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины), а затем
насосом -в экономайзер. После экономайзера вода поступает в барабан
котла, а из него в размещённые на стенах топки экранные трубы,в к-рых происходит
частичное испарение воды и из к-рых образовавшаяся пароводяная смесь
возвращается в барабан, где насыщенный пар отделяется от воды и направляется
в пароперегреватель и далее в турбину, а вода возвращается в экранные трубы.
Для генерации пара сверхкритич. параметров (давлением свыше 24 Мн/м²)
используют
прямоточные котлы.

Охлаждающая вода подаётся в конденсатор
из естеств. или искусств, водоёмов и, нагревшись в конденсаторе на неск.
градусов, сбрасывается в этот же водоём. В конечном итоге темп-pa охлаждающей
воды возвращается к прежнему уровню за счёт испарения нек-рой её части.
При отсутствии достаточно больших водоёмов охлаждающая вода циркулирует
в замкнутом контуре, отдавая теплоту воздуху в испарит, охладителях башенного
типа - градирнях.В районах с недостатком воды применяют т. н. сухие
градирни (градирни Геллерта), в к-рых охлаждающая вода отдаёт теплоту
воздуху через стенку теплообменника.

Одна из осн. тенденций развития тепловых
электростанций - увеличение мощности единичных агрегатов (парогенераторов
и паровых турбин), что позволяет быстрыми темпами наращивать энерговооружённость
нар. х-ва. В СССР (1976) на КЭС осваиваются энергетич. блоки мощностью
800 Мет (сооружается блок мощностью 1200 Мет), а на ТЭЦ -
250 Мет.

На газотурбинных электростанциях
теплосиловая установка представляет собой газотурбинный двигатель (ГТД).
В камеру сгорания ГДТ подаётся топливо (природный газ или мазут) и
сжатый в компрессоре до неск. Мн/м² воздух. Сгорание
топлива ведётся при больших коэфф. избытка воздуха (2-4), что снижает
темп-ру продуктов сгорания, к-рые направляются в газовую турбину. После
турбины продукты сгорания либо отдают в регенераторе часть своей теплоты
воздуху, направляемому в камеру сгорания, либо (в упрощённых схемах)
сбрасываются
в дымовую трубу. Механич. энергия ротора турбины в электромеханич. генераторе
превращается в электрич. энергию и частично расходуется на привод компрессора.
Газотурбинные электростанции применяются для энергоснабжения магистральных
газопроводов (где есть горючий газ под давлением) и в качестве пиковых
электростанций для покрытия нагрузок в часы "пик". К сер. 70-х гг. суммарная
мощность газотурбинных электростанций в мире превысила 2,5 Гвт.

Перспективны парогазотурбинные
установки (ПГУ), в к-рых осуществляется комбинированный цикл
газо- и паротурбинной установок. В зависимости от тепловой схемы различают:
ПГУ, в к-рых пар давлением 0,6 - 0,7 Мн/м² из высоконапорного
парогенератора направляется в паровую турбину, а продукты сгорания - в
газовую турбину, служащую для привода возд. компрессора и электромеханич.
генератора; ПГУ, у к-рых горячие отходящие газы газотурбинной установки
поступают в топку парового котла для повышения в ней темп-ры или же к-рые
служат для подогрева питат. воды в экономайзере котла. В ПГУ по сравнению
с паротурбинными установками (тех же мощности и параметров) удельный
расход теплоты на 4-6% меньше.

Схема конденсационной паротурбинной
электростанции: 1 - топка котлоагрегата; 2 - экранные трубы; 3 -
пароперегреватель; 4 - барабан котлоагрегата; 5 - пароперегреватель
для промежуточного перегрева; 6 - экономайзер; 7 -воздухоподогреватель;
8
- паровая турбина; 9 - генератор; 10 - конденсатор;
11
-
конденсатный насос; 12 - регенеративный подогреватель;
13
-
питательный насос; 14 - вентилятор; 15 - золоуловитель;
16
- дымосос; 17 - дымовая труба.

На дизельных электростанциях (ДЭС),
в отличие от тепловых и атомных электростанций, электромеханич. генераторы
приводятся во вращение не турбинами, а двигателями внутр. сгорания - дизелями.
ДЭС
служат для снабжения электроэнергией районов, к-рые удалены от линии электропередачи
и где невозможно сооружение тепловых или гидроэлектрич. станций. Мощность
отд. стационарных дизельных электростанций превышает 2,2 Мет.

Атомные электростанции (АЭС).
В подавляющем большинстве АЭС паротурбинные. От тепловых электростанций
они отличаются тем, что вместо парогенератора с топкой они имеют ядерный
реактор, в к-ром энергия деления ядер урана превращается в теплоту,
отдаваемую теплоносителю первого контура, чаще всего воде. В теплообменнике
(парогенераторе) этот теплоноситель передаёт теплоту рабочему телу
(воде) второго энергопроизводящего контура, в результате чего рабочее
тело (вода) испаряется, а полученный водяной пар направляется в
паровую турбину. В нек-рых случаях, в частности когда реактор охлаждается
жидким металлом, между первым и вторым контуром из соображений безопасности
вводится ещё один промежуточный контур с к.-л. теплоносителем.

Первая в мире АЭС (мощность 5000
кет)
была
построена в СССР в 1954. В 1964 суммарная мощность АЭС в мире составила
5 Гвт, a. в 1974 - ок. 40 Гвт. По прогнозам к 1980 в мире
на АЭС будет вырабатываться ок. 10% всей электроэнергии. Изменение структуры
энергетич. баланса в пользу АЭС определяется тем, что, хотя стоимость установленного
кет на АЭС примерно на 80% выше, чем на др. тепловых электростанциях,
расчётные затраты на произ-во электроэнергии примерно одинаковы. В дальнейшем
следует ожидать повышения стоимости хим. топлива, что сделает АЭС экономически
более выгодными.

Транспортные теплосиловые установки.
На автомобильном транспорте в качестве двигателей применяются гл. обр.
теплосиловые установки - поршневые двигатели внутр. сгорания (ПДВС)
с
внеш. смесеобразованием (карбюраторные двигатели) и с внутр. смесеобразованием
(дизели). В ПДВС рабочим телом служат продукты сгорания топлива.
В рабочем цилиндре ПДВС осуществляются все процессы, необходимые для преобразования
теплоты в механич. энергию: в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь;
здесь же эта смесь сгорает; образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь,
совершают полезную работу, отдаваемую через поршень внеш. механич. устройствам;
продукты сгорания поршнем же выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Различие
ПДВС прежде всего определяется разными термодинамич. циклами и, как следствие,
проявляется в различном конструктивном оформлении. На железнодорожном транспорте
до сер. 20 в. осн. двигателем была паровая машина - поршневая машина,
работающая на водяном паре, генерируемом в отд. паровом котле. В 70-х гг.
основу локомотивного парка всех промышленно развитых стран составляют тепловозы
(локомотивы,
оснащённые мощным дизелем) и электровозы. Перспективны
газотурбовозы.
В
судовой энергетике используют все перечисленные выше виды теплосиловые,
установок - от небольших автомоб. двигателей до паротурбинных установок
мощностью в десятки Мет. В авиации для приведения в движение летат.
аппаратов служат след, тепловые двигатели: поршневые
авиационные двигатели,
передающие
механич. энергию на возд. винт;
турбовинтовые двигатели,
осн. тяга
к-рых создаётся возд. винтом, а дополнит, тяга (8-12%)
- в результате
истечения продуктов сгорания;
реактивные двигатели,
тяга которых
возникает при истечении с большой скоростью рабочего тела (продуктов сгорания
топлива) из реактивного сопла (см. также Турбореактивный двигатель,
Жидкостный ракетный двигатель, Ракетный двигатель).

Установки прямого преобразования
тепловой энергии. Рассмотренные выше теплосиловые установки преобразуют
теплоту в механич. энергию, к-рая на электростанциях превращается в электроэнергию
с помощью электромеханич. генераторов либо затрачивается на движение в
двигат. установках. Однако возможно непосредственное преобразование теплоты
в электроэнергию с помощью т. н. установок прямого преобразования энергии.
Наиболее перспективны установки с магнитогидродинамическим генератором
(МГД-генератором). Термодинамич. цикл электростанции с МГД-генератором,
работающим на продуктах сгорания органич. топлива, аналогичен циклу газотурбинной
установки. В камеру сгорания подаются топливо и сжатый воздух, предварительно
подогретый до возможно более высокой темп-ры либо обогащённый кислородом.
Это необходимо, чтобы тем или иным способом получить теоретич. темп-ру
горения топлива - ок. 3000 К. При такой темп-ре продукты сгорания, к к-рым
добавляют нек-рое количество ионизирующейся добавки - щелочной металл (чаще
всего калий), переходят в состояние плазмы и становятся достаточно
электропроводными. В канале МГД-генератора кинетич. энергия плазмы непосредственно
преобразуется в электроэнергию в результате взаимодействия потока плазмы
с неподвижным магнитным полем МГД-генератора. После генератора продукты
сгорания тем или иным способом охлаждаются, очищаются от ионизирующейся
присадки и сбрасываются в дымовую трубу. Мощность отд. МГД-генераторов
на продуктах сгорания составляет неск. десятков Мет (1975).
Т. к. темп-pa газов после генератора очень велика (более 2000 К),
рационально использовать МГД-установку в комплексе с обычной паротурбинной
станцией. В этом случае теплота, отбираемая от газов, идёт на производство
пара для паротурбинной установки. Кпд такой комбинированной установки может
достигать 50-60%. Такое повышение кпд очень важно также с точки зрения
уменьшения тепловых выбросов электростанций в окружающую среду. Так, если
принять, что кпд тепловой электростанции составляет ок. 40%, то при увеличении
кпд до 60% количество сбрасываемой теплоты уменьшится примерно в 2,3 раза
(при одинаковой электрич. мощности станций).

Для малых энергетич. установок
спец. назначения, напр, для бортовых источников электроэнергии космич.
кораблей, разрабатываются и находят применение термоэлектрические и термоэмиссионные
установки прямого преобразования энергии. Термоэлектрический генератор
(ТЭГ) состоит из двух полупроводниковых термоэлементов с разным
типом проводимости - электронной и дырочной. С одного торца эти элементы
соединяются между собой коммутационной пластиной, а к свободным их торцам
присоединяются электрич. контакты для подключения к внеш. цепи. Если торцы
(спаи) элементов поддерживать при различной темп-ре, то возникает
термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности темп-р торцов. Когда
цепь термоэлементов замкнута на внеш. сопротивление, в ней возникает электрич.
ток, при протекании к-рого в горячем спае начнёт поглощаться теплота, а
в холодном - выделяться. Если пренебречь джоулевыми потерями в цепи (см.
Джоуля-Ленца
закон) и перетоком теплоты теплопроводностью от горячего спая к холодному,
то кпд термоэлемента окажется равным кпд цикла Карно для темп-р, соответствующих
темп-рам спаев. Действит. значения кпд термоэлементов и составленных из
них ТЭГ существенно меньше и достигают при разностях темп-р между спаями
в 400-500 К в лучшем случае неск. процентов. Этим, а также высокой стоимостью
самих термоэлементов объясняется малая распространённость ТЭГ, несмотря
на их крайнюю простоту и отсутствие к.-л. движущихся частей.

Простейший термоэмиссионный преобразователь
энергии (ТЭП) аналогичен двухэлектродной электронной лампе (диоду).
Если
катод и анод лампы поддерживать при разных темп-pax, подводя к катоду теплоту
и отводя её от анода, то электроны, вылетающие из катода в результате термоэлектронной
эмиссии, устремятся к аноду, заряжая его отрицательно. Если анод и катод
во внеш. цепи соединить через к.-л. сопротивление, то за счёт разности
потенциалов во внеш. цепи пойдёт ток. Если пренебречь необратимыми потерями,
кпд ТЭП также близок к кпд соответствующего цикла Карно. Реальный же кпд
ТЭП не более 7-8%, прежде всего из-за больших потерь теплоты излучением
между катодом, имеющим темп-ру ок. 2000 К, и анодом - ок. 1000 К. ТЭГ и
ТЭП представляют интерес в сочетании с ядерными источниками теплоты, образуя
полностью статичные автономные источники электроэнергии.

Лит.: Ф а в о р с к и и О.
H., Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую,
М., 1965; Алексеев Г. H., Преобразование энергии, М., 1966; Р ы ж к и н
В. Я., Тепловые электрические станции, М.-Л., 1967; М а ргулова Т. X.,
Атомные электрические станции, 2 изд., М., 1974; Магнитогидродинамический
метод получения электроэнергии, в. 3, М., 1972. В. А. Кириллин, Э. Э.
Шпилърайн.