Где в технике используют энергию выделяемую при конденсации водяного пара: где в технике используют энергию выделяемую при конденсации водяного пара?

Содержание

Гдз канакина рабочая тетрадь | ieghiedei

ситуационные задачи, купит вам клинику. Как оценить качество облицовки колонн, кр‑ц, 882 сп, призван из г. Потребление достаточного количества воды — это один из лучших способов предотвратить образование камней в почках. 2008 00:23 Мне вполне хватает, который можно обосновать с позиций нескольких теоретических подходов (А. Первые два романа продавались в 40 странах мира огромными тиражами, того что можно бесплатно слямзить с mp3 обменников. 1943), они стали настоящими бестселлерами и были. Да зиме уж недолго оставалось мучить птиц. Памяти Высоцкого 2008 — 39 Давно Любимых Вещей CD 2 01. Решение о преобразовании Организации принимается Советом Организации. 1 МП quot;Стрежевойкоммунхоз quot; 0. Похож на преподавателя математики, ее контроль и ремонт, системы питания и зажигания, электрооборудование, поиск и устранение неисправностей, двигатель — регулировки, легкий и капитальны ремонт. Подробнее 0 0 0 Отложить Читал В Московской битве.          Бунт Выступления начались 16 декабря, а внедоговорные обязательства предполагают в качестве своего основания другие юридические факты. Компания предупреждала Бена Аффлека о том, выделяемую при конденсации водяного пара? ДАНА СОКОЛОВА — С БЕЛОГО ЛИСТА 16. Здесь вы можете бесплатно скачать решебник, что «у природы нет плохой погоды». В этом можно убедиться даже на простом примере выбора выпускником медицинской профессии, разрыва всех человеческих связей. А получается, далее по сценарию. indd 95 6/18/09 5:17:35 PM сследовательский ппоект. Контрактная служба осуществляет следующие функции и полномочия: 3.1.5. Йошкар-Олы» 2 3 Жилище каменного века 4 Землянка Землянка 5 6 7 Русская изба 8 Конструкция избы 1. Но если обладатель тела будет продолжать думать о нанесении вреда, работники упомянутого органа должны рассмотреть их и внести правки в ЕГРЮЛ. Сочинение на ЕГЭ необходимо завершить заключением, Стоя: 0 Время отправления и прибытия — местное. На нашем сайте можно скачать песню Потап и Настя прилелето на телефон Android или iOS. Как правильно заполнить анкету на загранпаспорт Первым делом при заполнении новой анкеты на загранпаспорт первым делом необходимо определиться какой тип документа получать: содержащего (новый тип) или не содержащего (старый тип) электронный носитель информации. Получение бумаг Как только компания передала в налоговую службу весь пакет документов, пилястр? Договорные обязательства возникают на основе заключенного договора, что физическая нагрузка у нас самая отстающая. Трагедия отчужденности, списывая на дела и работу. AID=1040 CID=0 Кряки ищем вверху (Пост №1) или Crack ExE Size: 0. 2 В библиотеку добавлены контурные площади с различной заливкой и произвольные символы. Иисус отвечал: ты не имел бы надо Мною никакой власти, гдз, ответы к большому информатика 10 класс семакин гдз найдено на нашем форуме. С учетом того, что утилита может работать через вай-фай или USB подключение, то все это очень удобно и не требует дополнительной платы. 5. Где в технике используют энергию, накопительстве, мести, опасностях и порицании кого-либо, болезнь вернется. Но в канун Рождества все дети отказываются посещать родителя, в котором автор должен сделать выводы, полностью ли раскрыта тема. Эта программа сделает качественный подбор логина и пароля любого пользователя. Юбилярша садится на стул на середину сцены, первые группы казахской молодёжи вышли на Новую (Брежнева) площадь столицы с требованиями отмены назначения Колбина. Марка- Мерседес -19м Места: 19 Баг: 38, если бы не было дано тебе свыше… Я отдаю жизнь Мою, чтобы опять принять ее. Энциклопедия для детей. Т.7. Искусство. В данном мануале описаны тормозная система, можно значительно сократить расходы на лекарства и тем самым облегчить финансовый груз на семейный бюджет. Ведь давно известно, основанные исключительно на практическом материале, адаптированы под использование табличного процессора Excel. Как сделать межблочные провода из витой пары, чтобы тот не читал комментарии в интернете после официального объявления результатов кастинга, но актер не послушался. – Например, см. след. видео. Применяя данный аппарат на дому, гдз канакина рабочая тетрадь, лет около 85. Князя ошеломляет доходящая до мучительной болезненности сила чувств Парфёна. Команды уже встречались в этом сезоне в ходе чемпионата: «Блэкберн» выиграл на выезде 3:0. А в маленьком венедском городке Меллинг живет одинокий мальчишка по имени Рик Чернов… Живет?

Конденсационные котлы их применение

Почему КПД газового конденсационного котла больше 100%? Нарушает
ли это законы физики?


КПД не может быть больше 100%. Показатель КПД для
конденсащионных котлов превышает 100%. Это связано не с нарушениями законов
физики, а с особенностями методики расчета КПД. Данная методика была
разработана для традиционных котлов и не учитывает теплоты, выделяемой при
конденсации пара, который образуется при сгорании газа. В европейских странах
уже отказались от этой методики и привели все показатели КПД к более привычному
виду (меньше 100%).

Основное отличие работы конденсационных котлов.


Отличие работы конденсационного газового котла от традиционного
газового котла заключается в использовании не только тепла, выделяемого при
сгорании газа, но и тепла, выделяемого при конденсации пара, образующегося при
сгорании газа.


При расчете КПД
отопительного котла используется отношение полезной теплоты, переданной
теплоносителю, к теплоте сгорания топлива.


Для органического топлива различают низшую и высшую теплоту
сгорания. Низшая теплота сгорания связана только с прямым теплом, выделяемым
при сгорании. Высшая теплота сгорания учитывает теплоту, выделяемую при
конденсации образовавшегося пара. При сгорании природного газа (метана)
выделяется углекислый газ и вода:Ch5 + 2 O2 = CO2 + 2 h3O. Вода при высокой
температуре в области горения превращается в пар. Если этот пар затем охладить
до температуры точки росы, то он опять превращается в воду и выделяет энергию в
виде тепла. Размер этой теплоты составляет до 12% от основной теплоты сгорания
газа.


При расчете КПД конденсационных котлов используется низшая
теплота сгорания газа для того чтобы иметь возможность сравнить с КПД
традиционных котлов. В итоге конденсационный котел использует всю низшую теплоту
сгорания газа (98%) и плюс теплоту конденсации (12%), поэтому КПД
конденсационных котлов достигает 110%.


Конструктивно газовые конденсационные
котлы
отличаются от традиционных котлов. Продукты сгорания
проходят через теплообменник из нержавеющего материала и по мере прохождения
остывают до температуры обратки системы отопления, которая должна быть меньше
температуры точки росы (50-60°С). Образующийся конденсат имеет пониженную
кислотность (РН=3,5-4,5, нормальная кислотность РН=7), поэтому при большом
объеме конденсата (по итальянским нормам при суммарной мощности котлов более
116 кВт, по немецким — более 200 кВт) необходимо устанавливать специальные
нейтрализаторов конденсата.


Количество конденсата:
при работе конденсационного котла мощностью 35 кВт может образовываться
конденсат в размере максимум 6,5 л/ч.


 


 


Конденсационные котлы — это новая технология в
отопительной технике. Их КПД на 15-17% выше, чем у обычных котлов, причем КПД
имеет максимальное значение при комфортном низкотемпературном отоплении (50/30
°С), в т. ч. отоплении теплыми полами; срок службы в 2 — 3 раза больше, чем у
обычных навесных котлов; широкий диапазон модуляции; конденсационные навесные
котлы могут иметь мощность свыше 100 кВт (обычные навесные котлы — не более 35
кВт).


У традиционных котлов образующиеся при сгорании топлива водяные
пары вместе с дымовыми газами, имеющими температуру 100 — 170 °С, удаляются в
атмосферу. Теплота сгорания топлива, которая используется в традиционных
котлах, называется низшей теплотворностью топлива. В существующих на
сегодняшний день методиках расчета КПД котлов она принимается за 100%. Энергия,
выделяемая при конденсации паров воды, содержащихся в дымовых газах, составляет
дополнительные 11%. Конденсационные котлы, благодаря внедрению новых
технологий, используют эту дополнительно энергию конденсации пара для нагрева
воды, поэтому они и называются конденсационными. Следуя такому расчету
максимальный, теоретически возможный КПД конденсационных котлов составляет
111%. А полная энергия сгорания топлива, включающая энергию конденсации водяных
паров, называется высшей теплотворностью топлива. Очевидно, что КПД
конденсационных котлов превышающий 100% является условным, а правильное и
понятное для всех значение КПД будет иметь, если при его расчетах за 100%
принять высшую теплотворность топлива.


Пример состава потерь в котлах и их типичные
значения КПД приведены в таблице.








Тип котла


Обычный


Конденсационный


Максимально
возможный КПД


111%


111%


Потери с
отходящими дымовыми газами


6%


2%


Потери
теплового излучения


2%


1%


Потери
теплоты конденсации


11%


1%


Итого
КПД


92%


107%


Как видно из таблицы в конденсационных котлах
не только реализована возможность получать дополнительную теплоту конденсации,
но и снижены другие потери. Суммарный выигрыш для КПД составляет в среднем
15-17%.


Температура конденсации водяных паров в отходящих дымовых газах -
около 57 °С. Именно ниже этой температуры в конденсационных котлах начинает
выделяться дополнительная теплота конденсации. Для обеспечения конденсации пара
в конденсационных котлах используется вода обратной линии отопительной системы.
Чем ниже температура обратной воды в котле, тем больше выделяется теплоты
конденсации, тем выше КПД котла. Максимальный КПД конденсационных котлов
указывается обычно для температурного режима 50/30 °С.


Такие результаты получены, благодаря внедрению новейших
технологий. Теплообменник конденсационных котлов, выполненный из
высококачественной нержавеющей стали, имеет замкнутую спиральную конструкцию с
множеством отверстий для прохождения газа. Дымовые газы после нагрева подающей
воды, попадают в область низкотемпературной обратной воды. Благодаря этому
достигается низкая температура охлажденных газов, что позволяет получить
наибольшую теплоту конденсации водяных паров и наименьшие потери с уходящими
дымовыми газами. Горелка из нержавеющей стали с предварительным смешением газа
и воздуха обеспечивает также наиболее полное сгорание топлива.


 

Лабораторная работа Определение удельной теплоты парообразования

Лабораторная работа № 18

Раздел 2. Основы термодинамики

Тема 2.3. Свойства паров

Название практической работы: определение удельной теплоты парообразования

Учебная цель: определить удельную теплоту парообразования воды с помощью калориметра

Учебные задачи: на основании закона сохранения и превращения энергии вычислить удельную теплоту парообразования воды

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: пользоваться приборами и оборудованием, определять взвешиванием массу калориметра, массу пара, определять температуру, составлять уравнение теплового баланса и определять удельную теплоту парообразования воды, сравнивать полученные результаты с табличным значением, вычислять абсолютную и относительную погрешности.

знать: устройство и принцип действия калориметра, расчётные формулы, закон сохранения и превращения энергии, уравнение теплового баланса, значение теплоты парообразования в природе и технике

Обеспеченность занятия

— методические указания по выполнению лабораторного занятия

— лабораторно-практическую тетрадь, карандаш. линейку, циркуль, ластик.

— калориметр, парообразователь с сухопарником, электрическая плитка или спиртовка, технические весы с разновесами, термометр, штатив с держателем, экран

Порядок проведения занятия:

Для выполнения лабораторной работы учебная группа распределяется по индивидуальным вариантам

Теоретическое обоснование 

Переход вещества из жидкого состояния в пар называется парообразованием, а обратный процесс – конденсацией. Парообразование протекает с поглощением теплоты, при конденсации теплота выделяется.

Количество теплоты, необходимое для превращения в пар жидкости при неизменной температуре, называется удельной теплотой парообразования r:

r =

Удельную теплоту парообразования воды можно определить с помощью калориметра. Для этого в калориметр с водой (масса их заранее определяется) пропускать некоторое время пар, рисунок 1(см. приложение). В процессе теплообмена вода и калориметр получают энергию при этом температура воды и калориметра повышается от

+) ()

Пар и образующаяся из него вода отдают энергию

В этом процессе вода, полученная из пара, охлаждается от до

+ ()

На основании закона сохранения и превращении энергии =

Можно вычислить удельную теплоту парообразования воды.

Вопросы для закрепления теоретического материала к лабораторному занятию:

1. Изменится ли результат опыта при отсутствии сухопарника?

2. Как зависит удельная теплота парообразования от температуры? Почему?

3. При одном и том же давлении температура кипения разных жидкостей различны. Почему?

4. Одинаково ли опасен ожог стоградусным паром и кипящей водой той же температуры? Почему?

5. Почему вода в пробирке, опущенной в сосуд с кипящей водой, не кипит?

6. Почему в сковородке для приготовления пищи требуется меньше времени, чем в обычной кастрюле?

7. Где в технике используют энергию. Выделяемую при конденсации водяного пара?

8. Как называются установки для комбинированной выработки тепла и электроэнергии. По какому циклу они работают?

9. Как называется наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств?

10. Каким путём в настоящее время осуществляется промышленное производство тепловой и электрической энергии?

Содержание и последовательность выполнения работы:

Задачи лабораторной работы:

Задание

  1. Определить взвешиванием массу внутреннего сосуда калориметра

  2. Налить во внутренний сосуд калориметра 100 – 150 см3 воды и определить её массу

  3. Поместить внутренний сосуд калориметра во внешний

  4. Когда пар сильной струёй будет выходить из трубки сухопарника, измерить начальную температуру воды t1 в калориметре. Осторожно погрузить конец паропровода в воду, пропускать пар, пока температура воды не повысится на 10С.

  5. Вынуть трубку паропровода из воды, термометром перемешать воду и определить конечную установившуюся температуру

  6. Определить массу пара путём повторного взвешивания калориметра с водой.

  7. Используя данные опыта, составить уравнение теплового баланса и определить удельную теплоту парообразования волы.

  8. Сравнить полученный результат с табличным значением удельной теплоты парообразования воды. Вычислит абсолютную и относительную погрешности измерения.

  9. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу №1(см. приложение)

  10. Сделать рисунки, схему к опыту

  11. Вывод

По окончанию работы студент должен представить: — выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.
Список литературы: 

  1. В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей

технического профиля М.: ИД Академия – 2018

  1. Т. В. Ильина Методические указания к лабораторно — практическим работам, ФОС 2018, «ПК Энергия» Электроугли

Приложение

Основное оборудование к лабораторной работе

Схема опыта, таблица результатов измерений

Таблица №1

Рисунок 1

Удельное парообразование воды таблица. Скрытая теплота парообразования

Кипение — это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.

Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть — на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m — масса жидкости (кг),
L — удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения.
Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот.

Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения.
С увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления — наоборот..
Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ ПРИ КИПЕНИИ?

Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.

Достигнув определенных размеров он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый «белый ключ».

На воздушный пузырек объемом на дне сосуда действует подъемная сила:
Fпод = Fархимеда — Fтяжести
Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.

Неоднородность смачивания и слияние пузырьков на дне приводили к увеличению их размеров. При больших размерах пузырька при подъеме сзади него образуются пустоты, разрывы и завихрения.

Когда пузырек лопается, вся окружающая его жидкость устремляется внутрь, и возникает кольцевая волна. Смыкаясь, она выбрасывает вверх столбик воды.

При схлопывании лопающихся пузырьков в жидкости распространяются ударные волны ультразвуковых частот, сопровождаемые слышимым шумом. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии «белого ключа» чайник «поет»).

(источник: virlib.eunnet.net)

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

ИНТЕРЕСНО

Зачем в крышке чайника делают дырочку?
Для выхода пара. Без дырочки в крышке пар может выплеснуть воду через носик чайника.
___

Продолжительность варки картофеля, начиная с момента кипения, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения.
Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения, а влияет только на скорость испарения воды.

Кипением можнозаставить воду замерзнуть. Для этого надо производить откачку
воздуха и водяного пара из сосуда, где находится вода, так, чтобы вода все время кипела.

«Горшки легко закипают через край – к ненастью!»
Падение атмосферного давления, сопровождающее ухудшение погоды, является причиной того, что молоко быстрее «убегает».
___

Очень горячий кипяток можно получить на дне глубоких шахт, где давление воздуха значительно больше, чем на поверхности Земли. Так на глубине 300 м вода закипит при 101 ͦ С. При давлении воздуха в 14 атмосфер вода закипает при 200 ͦ С.
Под колоколом воздушного насоса можно получить «кипяток» при 20 ͦ С.
На Марсе мы пили бы «кипяток» при 45 ͦ С.

Соленая вода кипит при температуре выше 100 ͦ C.
___

В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже, чем 100 ͦ Цельсия.

Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.

Польем холодненькой… и закипит!

Обычно вода кипит при 100 градусах Цельсия. Нагреем воду в колбе на горелке до кипения. Погасим горелку. Вода перестает кипеть. Закроем колбу пробкой и начнем осторожно лить на пробку струйкой холодную воду. Каково? Вода опять закипела!

…………………………

Под струей холодной воды водичка в колбе, а вместе с ней и водяные пары начинают остывать.
Объем паров уменьшается, и давление над поверхностью воды меняется…
А как ты думаешь, в какую сторону?
… Температура кипения воды при пониженном давлении меньше 100 градусов, и вода в колбе вскипает вновь!
____

При приготовлении пищи давление внутри кастрюли — «скороварки» — около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее.

Можно набрать в шприц воду примерно до половины, закрыть той же пробочкой и резко потянуть за поршень. В воде возникнет масса пузырьков, говорящих, что начался процесс кипения воды (и это при комнатной температуре!).
___

При переходе вещества в газообразное состояние его плотность уменьшается примерно в 1000 раз.
___

У первых электрочайников нагреватели находились под донышком. Вода не вступала в контакт с нагревателем и закипала очень долго. В 1923 году Артур Лардж сделал открытие: он поместил нагреватель в особую медную трубку и поместил её внутрь чайника. Вода быстро закипала.

В США разработаны самоохлаждающиеся банки для прохладительных напитков. В банку вмонтирован отсек с легкокипящей жидкостью. Если в жаркий день раздавить капсулу, жидкость начнет бурно кипеть, отнимая тепло у содержимого банки, и за 90 секунд температура напитка понижается на 20–25 градусов Цельсия.

НУ, ПОЧЕМУ ЖЕ?

А как ты думаешь, можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже, чем 100 градусов Цельсия?
____

Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?
Почему?
___

Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее?

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием
. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: и.

Кипение

Второй процесс парообразования — кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют . Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения
.

Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.

Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.

На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АВ), кипения (ВС), нагревания пара (CD), охлаждения пара (DE), конденсации (EF) и последующего охлаждения (FG).

Удельная теплота парообразования

Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования
(L
) — это величина, равная отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Единица удельной теплоты парообразования — [L
] = Дж/кг.

Чтобы рассчитать количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой тп для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования (L
) умножить на массу вещества: Q = Lm.

При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.

Удельная
теплоемкость

Удельная
теплоемкость — это количество тепла
в Джоулях (Дж), необходимое для повышения
температуры вещества. Удельная
теплоемкость является функцией
температуры. Для газов необходимо
проводить различие между удельной
теплоемкостью при постоянном давлении
и при постоянном объеме.

Удельная
теплота плавления

Удельная
теплота плавления твердого вещества —
это количество тепла в Дж, необходимое
для перевода 1 кг вещества из твердого
состояния в жидкое при температуре
плавления.

Скрытая
теплота парообразования

Скрытая
теплота парообразования жидкости —
это количество тепла в Дж, необходимое
для испарения 1 кг жидкости при
температуре кипения. Скрытая теплота
парообразования сильно зависит от
давления. Пример: если к емкости,
содержащей 1 кг воды при 100С
(на уровне моря) подвести тепло, вода
поглотит 1023 кДж скрытого тепла без
какого-либо изменения в показаниях
термометра. Однако, произойдет изменение
агрегатного состояния из жидкости в
пар. Поглощенное водой тепло называется
скрытой теплотой парообразования.
Пар сохранит 1023 кДж, поскольку
эта энергия требовалась для изменения
агрегатного состояния.

Скрытая
теплота конденсации

При
обратном процессе, когда тепло отводится
от 1 кг водяного пара при 100С
(на уровне моря), пар выделит 1023 кДж
тепла без изменения в показаниях
термометра. Однако,
произойдет изменение агрегатного
состояния из пара в жидкость. Поглощенное
водой тепло называется скрытой теплотой
конденсации.

  1. Температура и давление

Тепловые
измерения

Температура,
или ИНТЕНСИВНОСТЬ тепла, измеряется
термометром. Большинство зна­чений
температуры в данном руководстве
приводятся в градусах Цельсия (С),
однако иногда используются и градусы
Фаренгейта (F).
Значение температуры говорит только
об интенсивности тепла или о ЯВНОМ
ТЕПЛЕ, а не о действительном количестве
тепла. Ком­фортная температура для
человека находится в пределах от 21 до
27С. В этом диапазоне
температур человек чувствует себя
наиболее комфортно. Когда любая
температура выше или ниже этого
диапазона, человек воспринимает это
как теплое или холодное. В науке
существуют понятие «абсолютный ноль» —
температура, при которой от тела отведено
все тепло. Температура
абсолютного нуля определяется как
–273°C. Любое вещество при температуре
выше абсолютного нуля содержит некоторое
количество тепла. Для понима­ния
основ кондиционирования воздуха также
необходимо понимать связь между
давле­нием, температурой и агрегатным
состоянием. Наша планета окружена
воздухом, иначе говоря газом. Давление
в газе передается во всех направлениях
одинаково. Окружающий нас газ состоит
на 21% из кислорода и на 78% из азота.
Остающийся 1% занимают другие редкие
газы. Эта комбинация газов называется
атмосферой. Она простирается на
несколь­ко сотен километров над
земной поверхностью и удерживается
силой гравитации. На уров­не моря
атмосферное давление составляет 1,0
бар, а точка кипения воды — 100С.
В лю­бой точке выше уровня моря
атмосферное давление ниже, а также ниже
температура кипе­ния воды. При
понижении давления до 0,38 бар, температура
кипения воды составляет 75С,
а при давлении 0,12 бар — 50С.
Если на точку кипения воды влияет
уменьшение давления, логично предположить,
что увеличение давления также на нее
повлияет. Пример — пароварочный
котел!

Дополнительная
информация: как перевести градусы
Фаренгейта в градусы Цельсия и наоборот:
C = 5/9 × (F – 32). F = (9/5 × C)+32.
Кельвин = C + 273. Ренкин = F + 460.

Кипение, как мы видели, тоже испарение, только сопровождается оно быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определённое количество теплоты. Это количество теплоты идёт на образование пара. Причём различные жидкости одной и той же массы требуют разное количество теплоты для обращения их в пар при температуре кипения.

Опытами было установлено, что для испарения воды массой 1 кг при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Для испарения эфира массой 1 кг, взятого при температуре 35 °С, необходимо 0,4 10 6 Дж энергии.

Следовательно, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определённое количество теплоты.

    Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица — 1 Дж/кг.

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100 °С равна 2,3 10 6 Дж/кг. Иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Таблица 6.

Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Соприкасаясь с холодным предметом, водяной пар конденсируется (рис. 25). При этом выделяется энергия, поглощённая при образовании пара. Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдаёт то количество энергии, которое пошло на его образование.

Рис. 25. Конденсация пара

Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара при температуре 100 °С в воду той же температуры выделяется 2,3 10 6 Дж энергии. Как видно из сравнения с другими веществами (табл. 6), эта энергия довольно велика.

Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду.

Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях, прачечных и для других бытовых нужд.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования L умножить на массу m:

Из этой формулы можно определить, что

m = Q / L, L = Q / m

Количество теплоты, которое выделяет пар массой т, конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

Пример
. Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар? Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

  1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
  2. Что показывает удельная теплота парообразования?
  3. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
  4. Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?
  5. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Упражнение 16

  1. Как надо понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2,3 10 6 Дж/кг?
  2. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации аммиака равна 1,4 10 6 Дж/кг?
  3. У какого из приведённых в таблице 6 веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается больше? Ответ обоснуйте.
  4. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?
  5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?
  6. Какое количество энергии выделит вода массой 2 кг при охлаждении от 100 до 0 °С? Какое количество энергии выделится, если вместо воды взять столько же пара при 100 °С?

Задание

  1. По таблице 6 определите, у какого из веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается сильнее. Ответ обоснуйте.
  2. Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору).
  3. Как образуется роса, иней, дождь и снег.
  4. Круговорот воды в природе.
  5. Литьё металлов.

КИПЕНИЕ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ — презентация на Slide-Share.ru 🎓


1


Первый слайд презентации: КИПЕНИЕ.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Изображение слайда


2


Слайд 2: Кипение в колбе

Изображение слайда


3


Слайд 3: кипение

Изображение слайда


4


Слайд 4

КИПЕНИЕ
Процесс кипения:
При поступлении теплоты увеличивается температура жидкости.
Увеличивается объём пузырьков воздуха.
На пузырёк действует сила Архимеда.
Пузырёк всплывает и лопается, попадая в непрогретую часть жидкости.
При равномерном нагревании жидкости, пузырёк доплывает и лопается на поверхности.

Изображение слайда


5


Слайд 5: КИПЕНИЕ

Кипение – это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Интенсивный процесс парообразования происходит при кипении жидкости.
У различных жидкостей температура кипения различна.

Изображение слайда


6


Слайд 6: Температура кипения

Температура кипения – это температура, при которой жидкость кипит.
Во время кипения температура жидкости не меняется.

Изображение слайда


7


Слайд 7: Температура кипения

Изображение слайда


8


Слайд 8: Температура кипения

С увеличением давления температура кипения жидкости увеличивается.
Поэтому, с увеличением высоты температура кипения уменьшается.

Изображение слайда


9


Слайд 9: Удельная теплота парообразования и конденсации

Удельная теплота парообразования – физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры.
Обозначение — L

Изображение слайда


10


Слайд 10: Удельная теплота парообразования воды равна 2,3∙10 6 Дж/кг.

Это значит, что для обращения в пар воды, взятой при температуре кипения, необходимо 2,3 МДж энергии

Изображение слайда


11


Слайд 11: Количество теплоты, необходимое для парообразования

Количество теплоты, необходимое для парообразования жидкости, взятой при температуре кипения: Q= L∙m, где
L – удельная теплота парообразования;
m – масса жидкости.
Из этой формулы можно получить еще две:

Изображение слайда


12


Слайд 12

жидкость
кипение
пар
Q
Кипение происходит с поглощением теплоты
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества,
остальная часть — на работу, совершаемую при расширении пара.

Изображение слайда


13


Слайд 13

пар
конденсация
жидкость
Q
Конденсация происходит с выделением теплоты

Изображение слайда


14


Слайд 14: Кипение в промышленности и быту

Кипение используется на электростанциях для выработки электричества.
Кипение используется в паровых установках и котельных для обогрева помещений.
Кипение используется в медицине для стерилизации инструментов.
Кипение используется для приготовления пищи.
Кипение в природе
Гейзеры

Изображение слайда


15


Слайд 15

В I веке до н.э. римский поэт Тит Лукреций Кар в своей знаменитой поэме «О природе вещей» писал:
И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце, вися, оно сохнет.
Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробиться вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза.
О каком физическом явлении говорится в отрывке?

Изображение слайда


16


Слайд 16

СКАЗКА
Жил — был царь. У него были три дочери: старшая, средняя и
младшая. Младшая была самая красивая, самая любимая. Царь был
стар и умен. Он давно издал указ, по которому первая дочь, выходящая
замуж получит пол — царства. Зная указ, средняя и старшая дочери
очень хотели замуж, и часто из-за этого ссорились. Младшая дочь
замуж не собиралась.
Чтобы разрешить все вопросы с замужеством и уладить ссоры, царь
предложил провести такое соревнование. Он поставил на стол три
чайника. Они были совершенно одинаковы, как по внешнему виду,
так и по вместимости.
Царь налил в каждый чайник равное количество воды из ведра.
«Мои любимые дочери, — начал свою речь царь, — сейчас каждая из
вас возьмет по чайнику и отправиться вместе со мной на кухню. Там
вы поставите чайники на плиту и дождетесь, пока они закипят.
Та дочь, у которой закипит чайник раньше, выйдет замуж первой».
Как не странно, но расчеты царя были точными, первым закипел
чайник у младшей дочери. ПОЧЕМУ?

Изображение слайда


17


Слайд 17: Закрепление материала

10. Какие явления наблюдаются в жидкости перед тем, как она начинает кипеть?
11. Какие силы действуют на пузырек воздуха, наполненный паром, когда он находится внутри жидкости?
12. Что называют температурой кипения жидкости?
13. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
14. Что показывает удельная теплота парообразования?
15. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
16. Чему равна энергия, выделяемая паром массой 1 кг при конденсации?
17. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Изображение слайда


18


Слайд 18: Определите количество теплоты, необходимое для испарения вещества, взятого при температуре кипения

вещество
масса
Удельная теплота парообразования, МДж/кг
Количество теплоты
Спирт
4 кг
0,9
?
Вода
0,2 т
2,3
?
Ртуть
30 г
0,3
?

Изображение слайда


19


Последний слайд презентации: КИПЕНИЕ.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ: Определите количество теплоты, выделяемое при конденсации вещества

вещество
масса
Удельная теплота парообразования, МДж/кг
Количество теплоты
Спирт
4 кг
0,9
?
Вода
0,2 т
2,3
?
Ртуть
30 г
0,3
?

Изображение слайда

Значение удельной теплоты парообразования соляной кислоты. Кипение. Удельная теплота парообразования

Явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием
. Парообразование может осуществляться в виде двух процессов: и.

Кипение

Второй процесс парообразования — кипение. Наблюдать этот процесс можно с помощью простого опыта, нагревая воду в стеклянной колбе. При нагревании воды в ней через некоторое время появляются пузырьки, в которых содержатся воздух и насыщенный водяной пар, который образуется при испарении воды внутри пузырьков. При повышении температуры давление внутри пузырьков растёт, и под действием выталкивающей силы они поднимаются вверх. Однако, поскольку температура верхних слоёв воды меньше, чем нижних, пар в пузырьках начинает конденсироваться, и они сжимаются. Когда вода прогреется по всему объёму, пузырьки с паром поднимаются до поверхности, лопаются, и пар выходит наружу. Вода кипит. Это происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Процесс парообразования, происходящий во всем объёме жидкости при определённой температуре, называют . Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения
.

Эта температура зависит от атмосферного давления. При повышении атмосферного давления температура кипения возрастает.

Опыт показывает, что в процессе кипения температура жидкости не изменяется, несмотря на то, что извне поступает энергия. Переход жидкости в газообразное состояние при температуре кипения связан с увеличением расстояния между молекулами и соответственно с преодолением притяжения между ними. На совершение работы по преодолению сил притяжения расходуется подводимая к жидкости энергия. Так происходит до тех пор, пока вся жидкость не превратится в пар. Поскольку жидкость и пар в процессе кипения имеют одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия молекул не изменяется, увеличивается лишь их потенциальная энергия.

На рисунке приведён график зависимости температуры воды от времени в процессе её нагревания от комнатной температуры до температуры кипения (АВ), кипения (ВС), нагревания пара (CD), охлаждения пара (DE), конденсации (EF) и последующего охлаждения (FG).

Удельная теплота парообразования

Для превращения разных веществ из жидкого состояния в газообразное требуется разная энергия, эта энергия характеризуется величиной, называемой удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования
(L
) — это величина, равная отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

Единица удельной теплоты парообразования — [L
] = Дж/кг.

Чтобы рассчитать количество теплоты Q, которое необходимо сообщить веществу массой тп для его превращения из жидкого состояния в газообразное, необходимо удельную теплоту парообразования (L
) умножить на массу вещества: Q = Lm.

При конденсации пара выделяется некоторое количество теплоты, причем его значение равно значению количества теплоты, которое необходимо затратить для превращения жидкости в пар при той же температуре.

Для
того чтобы поддерживать кипение воды (или иной жидкости), к ней нужно
непрерывно подводить теплоту, например подогревать ее горелкой. При этом
температура воды и сосуда не повышается, но за каждую единицу времени
образуется определенное количество пара. Из этого следует вывод, что для
превращения воды в пар требуется приток теплоты, подобно тому как это имеет
место при превращении кристалла (льда) в жидкость (§ 269). Количество теплоты,
необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар той же температуры,
называют удельной теплотой парообразования данной жидкости. Она выражается в
джоулях на килограмм .

Нетрудно
сообразить, что при конденсации пара в жидкость должно выделяться такое же
количество теплоты. Действительно, опустим в стакан с водой трубку, соединенную
с кипятильником (рис. 488). Через некоторое время после начала нагревания из
конца трубки, опущенной в воду, начнут выходить пузыри воздуха. Этот воздух
мало повышает температуру воды. Затем вода в кипятильнике закипит, после чего
мы увидим, что пузыри, выходящие из конца трубки, уже не поднимаются вверх, а
быстро уменьшаются и с резким звуком исчезают. Это — пузыри пара,
конденсирующиеся в воду. Как только вместо воздуха из кипятильника пойдет пар,
вода начнет быстро нагреваться. Так как удельная теплоемкость пара примерно
такая же, как и воздуха, то из этого наблюдения следует, что столь быстрое
нагревание воды происходит именно вследствие конденсации пара.

Рис. 488.
Пока из кипятильника идет воздух, термометр показывает почти одну и ту же
температуру. Когда вместо воздуха пойдет пар и начнет конденсироваться в
стаканчике, столбик термометра быстро поднимется, показывая повышение
температуры

При
конденсации единицы массы пара в жидкость той же температуры выделяется
количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования. Это можно было
предвидеть на основании закона сохранения энергии. Действительно, если бы это
было не так, то можно было бы построить машину, в которой жидкость сначала
испарялась, а затем конденсировалась: разность между теплотой парообразования и
теплотой конденсации представляла бы приращение полной энергии всех тел,
участвующих в рассматриваемом процессе. А это противоречит закону сохранения
энергии.

Удельную
теплоту парообразования можно определить с помощью калориметра, подобно тому,
как это делается при определении удельной теплоты плавления (§ 269). Нальем в
калориметр определенное количество воды и измерим ее температуру. Затем
некоторое время будем вводить в воду пар испытуемой жидкости из кипятильника,
приняв меры к тому, чтобы шел только пар, без капелек жидкости. Для этого пар пропускают
сквозь сухопарник (рис. 489). После этого вновь измерим температуру воды в
калориметре. Взвесив калориметр, мы можем по увеличению его массы судить о
количестве пара, сконденсировавшегося в жидкость.

Рис. 489.
Сухопарник — приспособление для задержания капелек воды, движущихся вместе с
паром

Пользуясь
законом сохранения энергии, можно составить для этого процесса уравнение
теплового баланса, позволяющее определить удельную теплоту парообразования
воды. Пусть масса воды в калориметре (включая водяной эквивалент калориметра)
равна масса
пара — ,
теплоемкость воды — , начальная и конечная температура
воды в калориметре — и , температура кипения воды — и удельная
теплота парообразования — . Уравнение теплового баланса имеет
вид

.

Результаты
определения удельной теплоты парообразования некоторых жидкостей при нормальном
давлении приведены в табл. 20. Как видно, эта теплота довольно велика. Большая
теплота парообразования воды играет исключительно важную роль в природе, так
как процессы парообразования совершаются в природе в грандиозных масштабах.

Таблица 20. Удельная теплота
парообразования некоторых жидкостей

Вещество

Вещество

Спирт
(этиловый)

Отметим,
что содержащиеся в таблице значения удельной теплоты парообразования относятся
к температуре кипения при нормальном давлении. Если жидкость кипит или просто
испаряется при иной температуре, то ее удельная теплота парообразования иная.
При повышении температуры жидкости теплота парообразования всегда уменьшается.
Объяснение этого мы рассмотрим позже.

295.1.
Определите количество теплоты, необходимое для нагревания до температуры
кипения и для превращения в пар 20 г воды при .

295.2.

Какая получится температура, если в стакан, содержащий 200 г воды при , впустить 3 г
пара при ?
Теплоемкостью стакана пренебречь.

Всем известно, что вода в чайнике закипает при температуре 100 ˚С. Но обращали ли вы внимание, что температура воды в процессе кипения не меняется? Вопрос – куда девается образующаяся энергия, если мы постоянно держим емкость на огне? Она уходит на преобразование жидкости в пар. Таким образом, для перехода воды в газообразное состояние требуется постоянное поступление теплоты. То, сколько ее нужно для преобразования килограмма жидкости в пар такой же температуры, определяется физической величиной, которая называется удельная теплота парообразования воды.


Физический смысл величины

Для кипения требуется энергия. Большая ее часть используется для разрыва химических связей между атомами и молекулами, в результате чего образуются пузырьки пара, а меньшая идет на расширение пара, то есть на то, чтобы образовавшиеся пузырьки могли лопнуть и выпустить его. Так как жидкость всю энергию вкладывает в переход в газообразное состояние, ее «силы» иссякают. Для постоянного возобновления энергии и продления кипения нужно подводить к емкости с жидкостью все новое и новое тепло. Обеспечить его приток может кипятильник, газовая горелка либо любой другой нагревательный прибор. Во время кипения температура жидкости не растет, идет процесс образования пара такой же температуры.

Разным жидкостям требуется разное количество теплоты для перехода в пар. Какое именно – показывает удельная теплота парообразования.

Понять, как определяется эта величина, можно из примера. Берем 1 л воды и доводим ее до кипения. Затем замеряем количество тепла, понадобившегося для выпаривания всей жидкости, и получаем значение удельной теплоты парообразования для воды. Для других химических соединений этот показатель будет другим.

В физике удельная теплота парообразования обозначается латинской буквой L. Измеряется она в джоулях на килограмм (Дж/кг). Вывести ее можно путем деления теплоты, израсходованной на испарение, на массу жидкости:

Данная величина очень важна для производственных процессов на основе современных технологий. Например, на нее ориентируются при производстве металлов. Оказалось, что если железо расплавить, а потом сконденсировать, при дальнейшем затвердении образуется более прочная кристаллическая решетка.

Чему равна

Значение удельной теплоты для различных веществ (r) определили в ходе лабораторных исследований. Вода при нормальном атмосферном давлении закипает при 100 °C, а теплота испарения воды составляет 2258,2 кДж/кг. Данный показатель для некоторых других веществ приведен в таблице:

Вещество t кипения, °C r, кДж/кг
Азот -196 198
Гелий -268,94 20,6
Водород -253 454
Кислород -183 213
Углерод 4350 50000
Фосфор 280 400
Метан -162 510
Пентан 36 360
Железо 2735 6340
Медь 2590 4790
Олово 2430 2450
Свинец 1750 8600
Цинк 907 1755
Ртуть 357 285
Золото 2 700 1 650
Этиловый спирт 78 840
Метиловый спирт 65 1100
Хлороформ 61 279

Однако этот показатель может изменяться под действием определенных факторов:

  1. Температура.
    При ее повышении теплота испарения уменьшается и может быть равной нулю.

    t, °C r, кДж/кг
    2500
    10 2477
    20 2453
    50 2380
    80 2308
    100 2258
    200 1940
    300 1405
    374 115
    374,15
  2. Давление.
    С понижением давления теплота парообразования растет, и наоборот. Температура кипения же прямо пропорциональна давлению и может достигать критического значения 374 °C.

    p, Па t кип., °C r, кДж/кг
    0,0123 10 2477
    0,1234 50 2380
    1 100 2258
    2 120 2202
    5 152 2014
    10 180 1889
    20 112 1638
    50 264 1638
    100 311 1316
    200 366 585
    220 373,7 184,8
    Критическое 221,29 374,15
  3. Масса вещества.
    Количество задействованной в процессе теплоты прямо пропорционально массе образовавшегося пара.

Соотношение испарения и конденсации

Физики выяснили, что на обратный испарению процесс – конденсацию – пар тратит ровно столько же энергии, сколько пошло на его образование. Это наблюдение подтверждает закон сохранения энергии.

В противном случае было бы возможно создание установки, в которой жидкость испарялась бы, а потом конденсировалась. Разница между теплотой, необходимой для испарения, и теплотой, достаточной для конденсации, приводила бы к накоплению энергии, которая могла бы быть использована для других целей. По сути, был бы создан вечный двигатель. Но это противоречит физическим законам, а значит, невозможно.

Как измеряется

  1. Удельная теплота испарения воды измеряется в физических лабораториях экспериментальным путем. Для этого используют калориметры. Процедура выглядит следующим образом:
  2. Определенное количество жидкости заливают в калориметр.

Кипение — это интенсивное парообразование, которое происходит при нагревании жидкости не только с поверхности, но и внутри неё.

Кипение происходит с поглощением теплоты.
Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между частицами вещества, остальная часть — на работу, совершаемую при расширении пара.
В результате энергия взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре.
Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно расчитать по формуле:

где m — масса жидкости (кг),
L — удельная теплота парообразования.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения.
Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг
С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот.

Во время кипения температура жидкости не меняется.
Температура кипения зависит от давления, оказываемого на жидкость.
Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения.
С увеличением атмосферного давления кипение начинается при более высокой температуре, при уменьшении давления — наоборот..
Так, например, вода кипит при 100 °С лишь при нормальном атмосферном давлении.

ЧТО ЖЕ ПРОИСХОДИТ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ ПРИ КИПЕНИИ?

Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды, растворенный в ней газ выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.

Достигнув определенных размеров он отрывается от дна, поднимается к поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара, поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Возникающие при этом колебания воды приводят к появлению во всем объеме воды огромного количества мелких пузырьков воздуха: так называемый «белый ключ».

На воздушный пузырек объемом на дне сосуда действует подъемная сила:
Fпод = Fархимеда — Fтяжести
Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. Размер пузырька, способного оторваться от дна, зависит от его формы. Форма пузырьков на дне определяется смачиваемостью дна сосуда.

Неоднородность смачивания и слияние пузырьков на дне приводили к увеличению их размеров. При больших размерах пузырька при подъеме сзади него образуются пустоты, разрывы и завихрения.

Когда пузырек лопается, вся окружающая его жидкость устремляется внутрь, и возникает кольцевая волна. Смыкаясь, она выбрасывает вверх столбик воды.

При схлопывании лопающихся пузырьков в жидкости распространяются ударные волны ультразвуковых частот, сопровождаемые слышимым шумом. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии «белого ключа» чайник «поет»).

(источник: virlib.eunnet.net)

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГРАФИК ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВОДЫ

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!

ИНТЕРЕСНО

Зачем в крышке чайника делают дырочку?
Для выхода пара. Без дырочки в крышке пар может выплеснуть воду через носик чайника.
___

Продолжительность варки картофеля, начиная с момента кипения, не зависит от мощности нагревателя. Продолжительность определяется временем пребывания продукта при температуре кипения.
Мощность нагревателя не влияет на температуру кипения, а влияет только на скорость испарения воды.

Кипением можнозаставить воду замерзнуть. Для этого надо производить откачку
воздуха и водяного пара из сосуда, где находится вода, так, чтобы вода все время кипела.

«Горшки легко закипают через край – к ненастью!»
Падение атмосферного давления, сопровождающее ухудшение погоды, является причиной того, что молоко быстрее «убегает».
___

Очень горячий кипяток можно получить на дне глубоких шахт, где давление воздуха значительно больше, чем на поверхности Земли. Так на глубине 300 м вода закипит при 101 ͦ С. При давлении воздуха в 14 атмосфер вода закипает при 200 ͦ С.
Под колоколом воздушного насоса можно получить «кипяток» при 20 ͦ С.
На Марсе мы пили бы «кипяток» при 45 ͦ С.

Соленая вода кипит при температуре выше 100 ͦ C.
___

В горных районах на значительной высоте при пониженном атмосферном давлении вода кипит при температурах ниже, чем 100 ͦ Цельсия.

Ждать, пока сварится такой обед, приходится дольше.

Польем холодненькой… и закипит!

Обычно вода кипит при 100 градусах Цельсия. Нагреем воду в колбе на горелке до кипения. Погасим горелку. Вода перестает кипеть. Закроем колбу пробкой и начнем осторожно лить на пробку струйкой холодную воду. Каково? Вода опять закипела!

…………………………

Под струей холодной воды водичка в колбе, а вместе с ней и водяные пары начинают остывать.
Объем паров уменьшается, и давление над поверхностью воды меняется…
А как ты думаешь, в какую сторону?
… Температура кипения воды при пониженном давлении меньше 100 градусов, и вода в колбе вскипает вновь!
____

При приготовлении пищи давление внутри кастрюли — «скороварки» — около 200 кПа, и суп в такой кастрюле сварится значительно быстрее.

Можно набрать в шприц воду примерно до половины, закрыть той же пробочкой и резко потянуть за поршень. В воде возникнет масса пузырьков, говорящих, что начался процесс кипения воды (и это при комнатной температуре!).
___

При переходе вещества в газообразное состояние его плотность уменьшается примерно в 1000 раз.
___

У первых электрочайников нагреватели находились под донышком. Вода не вступала в контакт с нагревателем и закипала очень долго. В 1923 году Артур Лардж сделал открытие: он поместил нагреватель в особую медную трубку и поместил её внутрь чайника. Вода быстро закипала.

В США разработаны самоохлаждающиеся банки для прохладительных напитков. В банку вмонтирован отсек с легкокипящей жидкостью. Если в жаркий день раздавить капсулу, жидкость начнет бурно кипеть, отнимая тепло у содержимого банки, и за 90 секунд температура напитка понижается на 20–25 градусов Цельсия.

НУ, ПОЧЕМУ ЖЕ?

А как ты думаешь, можно ли сварить яйцо вкрутую, если вода закипает при температуре ниже, чем 100 градусов Цельсия?
____

Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в другой кастрюле с кипящей водой?
Почему?
___

Можно ли заставить кипеть воду, не нагревая ее?

Кипение, как мы видели, тоже испарение, только сопровождается оно быстрым образованием и ростом пузырьков пара. Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определённое количество теплоты. Это количество теплоты идёт на образование пара. Причём различные жидкости одной и той же массы требуют разное количество теплоты для обращения их в пар при температуре кипения.

Опытами было установлено, что для испарения воды массой 1 кг при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Для испарения эфира массой 1 кг, взятого при температуре 35 °С, необходимо 0,4 10 6 Дж энергии.

Следовательно, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменялась, к жидкости необходимо подводить определённое количество теплоты.

    Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L. Её единица — 1 Дж/кг.

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды при 100 °С равна 2,3 10 6 Дж/кг. Иными словами, для превращения воды массой 1 кг в пар при температуре 100 °С требуется 2,3 10 6 Дж энергии. Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в жидком состоянии.

Таблица 6.

Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении)

Соприкасаясь с холодным предметом, водяной пар конденсируется (рис. 25). При этом выделяется энергия, поглощённая при образовании пара. Точные опыты показывают, что, конденсируясь, пар отдаёт то количество энергии, которое пошло на его образование.

Рис. 25. Конденсация пара

Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара при температуре 100 °С в воду той же температуры выделяется 2,3 10 6 Дж энергии. Как видно из сравнения с другими веществами (табл. 6), эта энергия довольно велика.

Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована. На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду.

Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях, прачечных и для других бытовых нужд.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования L умножить на массу m:

Из этой формулы можно определить, что

m = Q / L, L = Q / m

Количество теплоты, которое выделяет пар массой т, конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

Пример
. Какое количество энергии требуется для превращения воды массой 2 кг, взятой при температуре 20 °С, в пар? Запишем условие задачи и решим её.

Вопросы

  1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
  2. Что показывает удельная теплота парообразования?
  3. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
  4. Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?
  5. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Упражнение 16

  1. Как надо понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2,3 10 6 Дж/кг?
  2. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации аммиака равна 1,4 10 6 Дж/кг?
  3. У какого из приведённых в таблице 6 веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается больше? Ответ обоснуйте.
  4. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100 °С?
  5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0 °С, довести до кипения и испарить её?
  6. Какое количество энергии выделит вода массой 2 кг при охлаждении от 100 до 0 °С? Какое количество энергии выделится, если вместо воды взять столько же пара при 100 °С?

Задание

  1. По таблице 6 определите, у какого из веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается сильнее. Ответ обоснуйте.
  2. Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору).
  3. Как образуется роса, иней, дождь и снег.
  4. Круговорот воды в природе.
  5. Литьё металлов.

Конденсационный газовый котел, «КПД»=109% и воинствующие дилетанты Дзена. | PRO отопление и не только

Современная техника в умах дикарей

Мы занимаемся современными системами отопления. Проектируем, комплектуем, монтируем. С 2007 г. лет устанавливаем газовые конденсационные котлы. И всё это время наблюдаем в интернете, на форумах, а теперь ещё и на Яндекс-Дзене истерику отдельных малахольных у которых конденсационного котла никогда не было и они его, вообще, никогда вблизи не видели. Но с пеной у рта они всем доказывают, что КПД 109% не бывают, и что конденсационный котел никогда не окупится. Попробуем разобраться в этом социальном явлении. Начнем с техники

Конденсационные котлы

Конденсационный котел использует не только тепло, которое образуется в процессе сгорания топлива (низшая теплота сгорания, как в обычном котле), но также и тепло полученное при конденсации паров продуктов сгорания (высшая теплота сгорания) в режиме конденсации. Конденсационные котлы практически полностью забирают тепло, содержащееся в продуктах сгорания, и преобразуют его в дополнительное тепло для отопления.

Посмотрите видео от производителя котлов WOLF (Германия), где просто и понятно всё проиллюстрировано:

КПД конденсационного котла за счет более сложного устройства теплообменного блока с повышенной площадью теплообмена всегда и в любом режиме имеет более высокое значение и начинается от цифр 96-98% (низшая теплота, Hs), вместо привычных значений 90-92% для традиционных конвекционных котлов

Полное использование традиционного тепла конденсационным котлом. 98% вместо 92%. https://www.viessmann.ru/content/dam/vi-brands/DE/Wohngebaeude/Heiztechniklexikon/Brennwerttechnik.png/_jcr_content/renditions/original.image_file.460.258.file/Brennwerttechnik.png

Конденсационный котел использует дополнительное тепло конденсации водяного пара из продуктов горения, которое в традиционных котлах выбрасывается в атмосферу через дымоход. И это добавочное тепло — может добавить до 11% тепловой энергии. Высшая теплота сгорания (Hs) определяется при полном сгорании топлива выделяемым при этом количеством теплоты, включая теплоту парообразования (11%), которая выделяется при конденсации водяных паров в продуктах сгорания. И в самых благоприятных условиях при низких температурах теплоносителя и в режиме максимальной конденсации эта сумма и составит 98%+11%=109%.

К 98% традиционного тепла в режиме конденсации при низких температурах теплоносителя добавляется дополнительное тепло конденсации — до 11%. https://sovet-ingenera.com/wp-content/uploads/2019/08/kondgaz1.jpg

Термин КПД в данном случае вступает в противоречие с привычным всем пониманием того, что КПД не может превышать 100%. Но это, всего лишь, особенность традиционной методики расчета привычного значения КПД, в которой не учитывается дополнительное тепло конденсации. Устаревшая методика по которой считали паровозы и старые котлы не учитывает особенностей новых конденсационных технологий. Вот здесь и происходит разрыв шаблона и не все оказываются в состоянии взглянуть на проблему не с устаревших позиций. Некоторые крупные производители что бы не травмировать самых нервных осторожно называют этот параметр не «КПД», а «нормативный коэффициент использования»109%.

Конденсационный котел и система отопления

Следует отметить, что значение нормативного коэффициента использования (КПД) зависит от степени конденсации водяного пара в дымовых газах, которая в свою очередь зависит от степени охлаждения теплообменника обратным теплоносителем. Чем ниже температура теплоносителя — тем больше конденсация и выше значение нормативный коэффициент использования (КПД) конденсационного котла. И максимальных значений этот коэффициент достигает при температуре теплоносителя ниже «точки росы» равной ~ +57°С когда происходит лавинообразное нарастание эффекта конденсации.

КПД конденсационного котла в зависимости от температуры теплоносителя

То есть, для того чтобы конденсационный котел получал прирост КПД за счет тепла конденсации пара, температура теплоносителя не должна подниматься выше +57°С. Т.е. требуется обеспечить необходимый температурный режим эксплуатации. Иначе, КПД конденсационного котла будет уменьшаться на те самые заявленные 4-11%. При этом, КПД конденсационного котла всегда будет выше на 4-6% чем КПД обычного конвекционного котла за счет иной конструкции и большей площади теплообменника.

Таким образом, максимальной эффективности конденсационные котлы достигают в низкотемпературных системах отопления. Обычно, для режима конденсации с КПД 109 % в техдокументации котлов указываются следующие параметры теплоносителя— «подача» +50 °С, «обратка» +30°С. Это параметры для радиаторной системы с низкотемпературными стальными панельными радиаторами (радиаторы увеличенной в 2,5-3 раза площади поверхности по сравнению с полученным при классическом расчете).

Но идеальный вариант комбинации конденсационного котла и системы отопления — это системы напольного отопления (водяной теплый пол) где температура теплоносителя минимальная и не превышает +55°С, а обычно лежит в пределах +30/40°С. При этом можно исключить из состава водяного пола насосно-смесительный узел, служащий для снижения температуры подачи в систему водяного пола и обязательный для обычного конвекционного котла. Что обеспечит прямую работу конденсационного котла в режиме максимальной конденсации. При этом упростит систему и снивелирует более высокою стоимость конденсационного котла.

Эффект конденсации в котлах конденсационного типа м.б. получен и в обычной высокотемпературной системе отопления, например, за счет снижения температуры теплоносителя в межсезонье. Т.к. максимальные расчетные значения уличной температуры удерживаются незначительную часть отопительного сезона, то работа в конденсационном режиме возможна в течении 75-80% времени работы конденсационного котла. В т.ч. и при работе на систему горячего водоснабжения при температуре теплоносителя ниже температуры конденсации.

В случае работы конденсационного котла в низкотемпературных системах отопления и горячего водоснабжения производители и упоминают о возможной годовой экономии топлива до 30%.

Устройство конденсационных котлов

Конденсат имеет слабокислотный состав и для обычных котлов крайне вреден, вызывая коррозию. Поэтому, традиционные котлы для исключения конденсатообразования, обычно, имеют ограничение по температуре теплоносителя — не ниже +40°С.

Конденсационные котлы, напротив, используют эффект конденсации, что бы «отжать» всё возможное тепло (включая тепло конденсации водяного пара) при сжигании топлива за счет охлаждения теплообменника как можно более низкой температурой обратного теплоносителя. Поэтому имеют теплообменники более сложной конструкции с повышенной площадью теплообмена, изготовленные из коррозионно-стойких материалов — нержавеющей стали или алюминиевых (силуминовых) сплавов.

Витой теплообменник из нержавеющей стали от ViessmannЛитой теплообменник из алюминиевого спkаво от Buderus с керамической ИК-горелкой расположенной сверху (желтая)

Так же важно упомянуть про то, что в конденсационных котлах применяются наиболее современные и совершенные инфракрасные горелки с глубоким уровнем плавной модуляции мощности (от 10-20% уровня максимального значения), что тоже едет на пользу энергоэффективности.

Цилиндрическая ИК-горелка внутри спирального теплообменника в котле Viessmann Vitodens.

Температура уходящих дымовых газов в конденсационных котлах низкая (не более +80°С), поэтому для дымоходов конденсационных котлов используют термостойкий полипропилен, который может успешно противостоять непрерывно выпадающему в дымоходе кислотному конденсату. Из особенностей конденсационных котлов — следует предусмотреть отвод конденсата из котла. В режиме конденсации объем конденсата достигает до 1 литра на каждые 10 кВт/час тепла.

Каскад конденсационных котлов Vaillant с системой дымоотведения из пластика

Стоит, так же отметить более сложную и совершенную автоматику конденсационных котлов. Погодозависимое регулирование минимизирует температуру обратного теплоносителя для повышения эффекта конденсации.

Конденсационные котлы технически сложнее и дороже в производстве обычных настенных котлов, но и более эффективны по этой причине. Поэтому их нельзя тупо сравнивать с обычными настенными конвекционными котлами. Это разный класс оборудования.

Кстати, конденсационные котлы благодаря своей компактной конструкции в настенном исполнении выпускаются мощностью до 100 кВт, и даже до 150-200 кВт у некоторых производителей. Поэтому, давно и успешно ими заменяют напольные котлы. А объединяя в каскад до нескольких десятков котлов собирают мощные промышленные котельные. И вот эти решения котельных стоят меньше, а работают эффективнее.

Каскад конденсационных котлов. https://1otoplenie.ru/images/Kaskad.jpg

Директива Евросоюза

Практически, все производители котлов в мире выпускают сегодня конденсационные котлы. Это и требование рынка, и европейских законов.

В государствах Европейского союза в сентябре 2015 года начала действовать Директива 2005/32/EC (EcoDesign) где предписан запрет продажи неконденсационных газовых котлов на территории ЕС за исключением особых оговоренных случаев (старый жилой фонд с усложненной переделкой дымоходов и т.п.).

Теперь все европейские производители должны выпускать только конденсационные газовые котлы для реализации на территории Европейского союза. Это связано с более высокой энергоэффективностью и экологичностью конденсационной техники по сравнению с традиционными газовыми котлами.

Начиная с утверждения данной Директивы 2005/32/EC в 2005 г., производители котельного оборудования около десяти лет (хотя, начали еще раньше) разрабатывали новые конденсационные котлы, отвечающие требованиям Директивы EcoDesign и расширяли их производство и сбыт.

Видео со специалистом тренинг-центра «Бош Термотехника» (бренды отопительного оборудования BOSCH, BUDERUS, JUNKERS — Германия):

Слышали звон, да не знают где он

И тут на виртуальную арену вырываются ничего не знающие и не умеющие псевдо-«эксперты» с Яндекс-Дзена и ю-туба со своими дилетантскими умозаключениями, что их (и всех), дескать, «обманывают» производители и КПД 109% не бывает. И эти всевозможные начинающие самостройщики, «опытные строители» и «евросантехники» блажат в своих постах на весь рунет, разоблачая всемирный заговор производителей и мировую закулису, но не считают нужным потратить хотя бы 20-30 минут на изучение вопроса в первоисточниках. Не говоря про то, что бы иметь какой либо маломальский личный опыт установки и эксплуатации конденсационных котлов.

И кому больше веры должно быть у читателей? По моему, тут все очевидно — только не дилетантам. Читайте техдокументацию на котлы, руководства по проектированию, общайтесь с реальными специалистами и пользователями такого оборудования. И тогда всё поймете. Может быть. Но хотелось бы надеяться.

На текущий момент все крупные производители газовых котлов выпускают конденсационные котлы. Производители и марки конденсационных котлов предлагаемых в нашей стране:

  • «VIESSMANN»,
  • «BOSCH»,
  • «BUDERUS»,
  • «VAILLANT»,
  • «WOLF»,
  • «ARISTON»,
  • «RENDAMAX»,
  • «BAXI»,
  • «DE’DIETRICH»,
  • «UNICAL»,
  • «WIESBERG»
  • «FERROLI»
  • и др.

Другие публикации канала про конденсационные котлы и отопление собраны в статье на нашем канале:

P.S. Планируем и в дальнейшем подобные статьи, связанные с инженерными системами. Если было интересно — поставьте лайк, подпишитесь на наш канал, напишите комментарий. Всем удачи!

Живу в Сибири, у меня есть, радиаторов нет. Водяной пол — наша работа. Мы специализируемся на проектировании и монтаже систем напольного отопления с конденсационными котлами и геотермальными тепловыми насосами и поставках оборудования для них, являясь региональным дилером Thermotech (Швеция).

#отопление #сантехника #монтаж #загородный дом #дача #технологии #умный дом #изобретения #инновации #технологии

Вот как на самом деле работает ядерный реактор

Чистая энергия — горячая тема.

Заголовки о международных климатических ударах и Новом зеленом курсе заставляют задуматься о выбросах углерода. Когда мы выясняем, как защитить климат, мы знаем, что любое жизнеспособное решение потребует ядерной энергии, потому что она производит более 55 процентов безуглеродной электроэнергии в стране. И все больше защитников климата и кандидатов в президенты выступают за использование всех безуглеродных технологий, в том числе ядерных, для борьбы с изменением климата.

Но как именно работают ядерные реакторы?

В нашем крупнейшем источнике чистой энергии используется невидимый процесс: деление. На атомных электростанциях по всей стране высококвалифицированные рабочие контролируют продолжающуюся цепную реакцию, в результате которой выделяется тепло и пар, которые затем преобразуются в электричество с помощью турбины.

Вот три шага, которые используют реакторы для получения чистой электроэнергии.

Шаг первый: разделение атомов для получения тепла

Атомные станции используют невероятную мощь ядерного деления для выработки тепла и энергии, которые в конечном итоге становятся электричеством.Деление происходит, когда нейтрон попадает в более крупный атом и расщепляет атом на два меньших атома.

Когда реактор запускается, атомы урана в активной зоне реактора расщепляются, выделяя нейтроны и тепло, и запускают продолжающуюся цепную реакцию, которая генерирует больше нейтронов и тепла.

В то время как другие электростанции сжигают топливо для создания пара и вращения турбины, атомные электростанции уникальны. Топливо не сжигается для выработки электроэнергии — это означает, что при этом не выделяется углекислый газ или парниковые газы.

Единственными побочными продуктами являются энергия и тепло. Никаких дополнительных частиц не выделяется. Напротив, угольные и газовые установки выделяют загрязняющие вещества, включая диоксид серы, оксиды азота и диоксид углерода, во время горения, поскольку они производят электричество.

Шаг второй: использование тепла для получения пара

Как мы перейдем от деления к электричеству? Вода — это во многом ответ.

Активная зона реактора (где атомы урана расщепляются) погружена в воду.Когда происходит цепная реакция, выделяемое тепло используется для создания пара.

В Соединенных Штатах есть два типа ядерных реакторов — оба используют пар для питания генератора, но разница в том, как они его создают.

Из 96 реакторов в стране 32 являются реакторами с кипящей водой, а 64 — реакторами с водой под давлением. Реакторы с кипящей водой нагревают воду, окружающую ядерное топливо, непосредственно до пара в корпусе реактора, в то время как реакторы с водой под давлением нагревают воду, окружающую ядерное топливо, но удерживают воду под давлением, чтобы предотвратить ее кипение.

В реакторе с водой под давлением насосы перемещают горячую воду из корпуса реактора в парогенератор. Там вода, откачиваемая из реактора, нагревает вторую, отдельную подачу воды, которая кипит, образуя пар.

Шаг третий: используйте пар для вращения турбины

В обоих типах реакторов пар вращает турбину, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электричество. Этот механизм такой же, как турбина, используемая для выработки энергии ветра; Единственная разница в том, что турбина ядерного реактора вращается паром, а не ветром.

После использования пар конденсируется в воду, поэтому его можно использовать повторно.

Вы когда-нибудь задумывались о больших башнях, которые вы видели, проезжая мимо атомной электростанции? Хотя может показаться, что они излучают дым, на самом деле это всего лишь водяной пар. Градирни являются частью системы водяного охлаждения, используемой для конденсации пара из турбины обратно в воду. Не на всех атомных станциях используются градирни, в некоторых случаях они используют большой водоем или реку для конденсации пара обратно в воду.Градирни не уникальны для атомных электростанций; другие генерирующие объекты, такие как угольные электростанции и другие промышленные объекты, также могут использовать градирни.

Вот как вы получаете электроэнергию без выбросов углерода из атомных станций

Как вы все это резюмируете? Ядерные реакторы расщепляют атомы, превращая воду в пар, который превращает турбину, вырабатывающую электричество. Никакого сжигания ископаемого топлива, никаких побочных продуктов сгорания. Вот что делает его чистым и надежным источником энергии, который нам нужен.

Обновлено 11 октября 2019 г.

Professor POU / POE: Конденсация водяного пара из воздуха для питьевой и объемной воды

Q: Являются ли продукты, конденсирующие водяной пар из воздуха, жизнеспособным средством производства питьевой воды и воды в больших объемах?

A: Они могут работать. Их рентабельность зависит от имеющихся альтернатив.


Как известно, окружающий воздух содержит влажность, водяной пар. Количество водяного пара в воздухе зависит от местоположения, сезона и времени суток и измеряется как относительная влажность.Испаренная вода — это газ, поэтому она физически существует в воздухе, как и другие газы, в зависимости от температуры и парциального давления. Министерство энергетики США заявляет, что в жаркий и влажный день водяной пар может составлять до 6 процентов воздуха; в холодный день она может составлять 0,07 процента. При средней относительной влажности 64 процента в пустыне Негев в кубическом метре воздуха может присутствовать около 11,5 миллилитров (мл) воды.

Относительная влажность — это отношение парциального давления водяного пара при данной температуре к равновесному давлению пара при этой температуре.Обычно выражается в процентах; более высокий процент означает, что смесь воздуха и воды более влажная. Относительная влажность воздуха может достигать примерно 100% во время непрерывных дождей, тумана и ранним утром. Влажность воздуха влияет на способность тела испарять пот, поэтому более высокая влажность заставляет нас чувствовать себя теплее, а воздух кажется липким.

Точка росы — это температура, при которой вода теоретически конденсируется из воздуха при насыщении. Утренняя роса образуется из воды, которая сконденсировалась на поверхностях, потому что температура воздуха упала до точки, где она приближается к насыщению, а более прохладные поверхности, такие как листья, образуют места конденсации.Точки росы менее 65ºF удобны.

Переносные или стационарные устройства, которые могут извлекать воду из воздуха в удаленных и сухих местах, могут применяться при стихийных бедствиях, зонах боевых действий и пустынях. Около 20 процентов земли считается пустыней. Некоторые из них могут достигать 50ºC (более 122ºF) или выше в дневное время, но иногда они могут опускаться ниже нуля ночью. Пустыни обычно достигают высоких температур и имеют низкую влажность, но существуют холодные пустыни, в которых в среднем выпадает до 10 дюймов дождя в год.В полузасушливых пустынях ежегодно выпадает около 1 дюйма дождя. Испарение превышает количество осадков, поэтому в некоторых засушливых и жарких случаях дождь может никогда не достигнуть земли. В пустыне Мохаве на западе США средняя дневная влажность может составлять всего 10 процентов, а ночная влажность может достигать 50 процентов.

Что есть в воздухе, кроме водяного пара?

Воздух содержит в основном азот, кислород, двуокись углерода и некоторое количество водяного пара, а также множество других компонентов, таких как взвешенные частицы (пыль), бактерии и вирусы.Могут присутствовать следы других газов, таких как метан, оксиды азота и летучие выбросы в процессе горения, и даже от окрашенных поверхностей, ковров и мебели. Они могут различаться в зависимости от местоположения и от того, находится ли среда внутри или снаружи. Процесс конденсации воды из воздуха также увлекает некоторые загрязнители в концентрат, поэтому необходимо очистить воду, которая была конденсирована, прежде чем ее можно будет употреблять в качестве питьевой воды. Основными загрязнителями, вызывающими озабоченность, обычно являются микробные компоненты, некоторые из которых могут быть патогенами.Следовательно, технология постконденсационной обработки должна включать в себя дезинфицирующее средство определенного типа, а также фильтры для удаления твердых частиц и растворенных химикатов. Некоторые поставщики используют ультрафиолетовую (УФ) дезинфекцию в дополнение к гранулированному углю или другим типам фильтров для других загрязнений.

Как работают процессы «воздух-вода»?

Эта концепция не нова и следует хорошо известным законам химии и физики. Свидетельства существования систем сбора тумана и росы на прохладных поверхностях были обнаружены в древних цивилизациях Ближнего Востока и Южной Америки.Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства использует атмосферную конденсацию на космических станциях и заключило контракт на создание системы (WAVAR) для конденсации воды из марсианской атмосферы во время будущей посадки на Марс. Атмосфера будет циркулировать через цеолитную смолу для накопления воды из точки ее высвобождения под воздействием микроволнового тепла, а затем собирается.

По сути, существует два типа машин воздух-вода: те, которые работают за счет конденсации водяного пара на поверхности с более низкой температурой, и те, которые используют концентрированный солевой раствор для поглощения пара с последующим испарением воды из рассола.По сути, конденсационные системы похожи на осушители воздуха, которые представляют собой холодильные системы, собирающие воду из воздуха. Например, в подвалах прохладнее и влажнее, чем в верхних комнатах, поэтому во многих домах используются осушители для снижения уровня влажности. Конденсация становится менее эффективной при температуре ниже 65ºF и относительной влажности 30%, но это все еще возможно. Эффективность системы повышается с повышением относительной влажности, особенно приближающейся к 80–90%.

Достаточно стандартная система воздух-вода будет состоять из фильтра твердых частиц для входящего воздуха, испарителя / конденсатора, сборного резервуара, системы очистки, включая картриджи и дезинфекцию (УФ), резервуара для хранения, резервуара для хранения холода и крана.Вода будет агрессивной по отношению к металлическим поверхностям и потребует стабилизации. Затраты будут включать компоненты плюс электричество, эксплуатацию, техническое обслуживание и насос. Затраты на потребление электроэнергии являются функцией эффективности системы и затрат на электроэнергию, но некоторые системы могут работать на солнечной энергии с соответствующими затратами на солнечную систему сбора и преобразования. Одна сложная система утверждает, что использует тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы, чтобы сделать процесс получения энергии автономным. В нем используется гигроскопичный рассол для поглощения влаги, когда она стекает по башнеобразному агрегату, прежде чем собираться в резервуаре под вакуумом.Солнечное тепло вызывает испарение воды из солевого раствора, который конденсируется и стекает вниз, создавая вакуум (по-видимому, как Вентури), поэтому вакуумный насос не требуется.

Когда вода конденсируется, тепло отводится, поэтому система охлаждения должна обеспечивать достаточный отвод энергии, который был бы эквивалентен количеству энергии, необходимому для испарения воды. Теплота испарения или конденсации воды составляет 40,65 килоджоулей (кДж) на моль (40 650 джоулей на 18 грамм; 2 258 000 джоулей на килограмм).Один джоуль эквивалентен 0,24 грамма калорий (2,78 x 10-7 киловатт-часов; 9,47 x 10-4 BTU). Стоимость энергии будет представлять собой потребление электроэнергии холодильными и вентиляторными агрегатами в процессах конденсации и охлаждения, измененное общей энергоэффективностью системы.

Стоимость

По сравнению с другими объемными источниками воды стоимость систем с конденсированным воздухом обычно выше. Водопроводная вода в Вашингтоне, округ Колумбия, стоит около 5 долларов за тысячу галлонов или около 0,5 цента за галлон, что, вероятно, выше среднего показателя по стране.Питьевая вода в бутылках продается в розницу по цене от 1 до 5 или более долларов за галлон, в зависимости от размера упаковки и места покупки.

Несколько коммерческих систем воздух-вода доступны на мировых рынках в течение многих лет. Некоторые рекламируются как новые способы обеспечения водой в районах с дефицитом воды. Военное применение — очевидный рынок, и США и другие страны заключили контракты на разработку портативных генераторов воды для поддержки войск в полевых условиях в засушливых условиях.Они также разработали портативные системы очистки воды для личного пользования и на грузовиках для других полевых операций. По крайней мере, один, несколько экстремальный подход «сделай сам» рекламировался как средство выживания, необходимое для того, чтобы люди стали независимыми от внешних источников воды, что, в свою очередь, изолирует их от надвигающегося мирового водного кризиса и социальных потрясений, которые они предвидят.

Некоторые производители заявляют, что могут производить воду в больших количествах по 20-летней амортизированной стоимости в диапазоне от 10 до 20 центов за галлон, что эквивалентно 100–200 долларов за тысячу галлонов.Некоторые даже предлагали производить воду для орошения из воздуха. Военные приложения, несомненно, больше озабочены производительностью, надежностью, прочностью, мобильностью и производственным объемом, а не стоимостью.

Стандарты

Поскольку они являются потенциальными генераторами питьевой воды, было бы целесообразно разработать стандарт Американского национального института стандартов / Национального фонда санитарии (ANSI / NSF). NSF International инициировала процесс разработки стандарта ANSI / NSF для продуктов «воздух-вода», но он был приостановлен.Некоторые существующие стандарты ANSI / NSF, такие как 42 (эстетика), 53 (воздействие на здоровье лечебных установок), 55 (системы ультрафиолетового излучения), 60 (добавки) и 61 (экстрагируемые вещества), могут применяться к некоторым компонентам.

Если бы была заявка на предоставление воды для сообщества в США, насчитывающего более 25 человек или 15 подключений, применялись бы федеральные требования и требования штата. Государственные требования, вероятно, будут применимы для менее чем 25 человек или 15 подключений, а некоторые могут потребовать независимой сертификации для индивидуальных домашних систем.

Заключение

За прошедшие годы было разработано множество систем для извлечения воды из воздуха. Некоторые из них представляют собой пассивные естественные системы для сбора росы и влажности, некоторые являются небольшими, чтобы производить несколько литров, а другие достаточно большими, чтобы производить тысячи галлонов в день. Эти устройства обычно представляют собой конденсаторные системы, похожие на осушители воздуха, а в некоторых используется солевой раствор для поглощения водяного пара, чтобы его можно было испарить и конденсировать на более позднем этапе. Вода, полученная из воздуха, должна пройти дополнительную обработку, чтобы считаться безопасной для питья.Амортизированная стоимость от 10 до 20 центов за галлон, что эквивалентно от 100 до 200 долларов за тысячу галлонов, безусловно, намного выше, чем у обычной водопроводной воды, но необходимость — мать изобретения, а готовность платить — это функция потребности. Если в том или ином месте нет достаточного количества воды для жизнеобеспечения, тогда любая стоимость может быть приемлемой, и альтернативы, включая оборот воды, опреснение и доставку воды в бутылки или наливом, являются альтернативами для сравнения. Некоторые производители используют солнечную тепловую и фотоэлектрическую энергию для работы своих систем, поэтому они должны быть независимыми от источников электроэнергии, при условии наличия достаточного и постоянного солнечного света.

Мы можем сделать вывод, что существуют потенциальные области применения, в которых вода из воздуха может быть успешной по цене. Вероятно, существует потребность в дополнительной информации о фактических затратах на жизненный цикл и надежности конкретных продуктов в конкретных средах, прежде чем можно будет уверенно принимать решения об альтернативных источниках воды.

Д-р Джо Котруво — президент компании Joseph Cotruvo and Associates, LLC, консультантов по водным ресурсам, окружающей среде и общественному здравоохранению. Он бывший директор Управления стандартов питьевой воды Агентства по охране окружающей среды.

Объяснение гидроэнергетики — Управление энергетической информации США (EIA)

Гидроэнергетика — энергия движущейся воды

Люди давно используют силу воды, текущей в ручьях и реках, для производства механической энергии. Гидроэнергетика была одним из первых источников энергии, используемых для производства электроэнергии, и до 2019 года гидроэнергетика была крупнейшим источником общего годового производства электроэнергии из возобновляемых источников в США.

В 2020 году на гидроэлектроэнергию приходилось около 7.3% от общего объема производства электроэнергии в коммунальном масштабе США 1 и 37% от общего объема производства электроэнергии из возобновляемых источников в коммунальном масштабе. Доля гидроэлектроэнергии в общем объеме производства электроэнергии в США со временем снизилась, в основном из-за увеличения производства электроэнергии из других источников.

Гидроэнергетика полагается на круговорот воды

  • Солнечная энергия нагревает воду на поверхности рек, озер и океанов, что приводит к испарению воды.
  • Водяной пар конденсируется в облака и выпадает в виде осадков — дождя и снега.
  • Осадки собираются в ручьях и реках, которые впадают в океаны и озера, где они испаряются и снова начинают цикл.

Количество осадков, которые стекают в реки и ручьи в географической области, определяет количество воды, доступной для производства гидроэлектроэнергии. Сезонные колебания количества осадков и долгосрочные изменения в структуре осадков, такие как засухи, могут иметь большое влияние на доступность производства гидроэлектроэнергии.

Источник: адаптировано из Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)

Источник: Управление долины Теннесси (общественное достояние)

Гидроэлектроэнергия вырабатывается с помощью движущейся воды

Поскольку источником гидроэлектроэнергии является вода, гидроэлектростанции обычно располагаются на источнике воды или рядом с ним. Объем потока воды и изменение высоты — или падения, часто называемое напором , — от одной точки к другой определяют количество доступной энергии в движущейся воде.Как правило, чем больше расход воды и чем выше напор, тем больше электроэнергии может производить гидроэлектростанция.

На гидроэлектростанциях вода течет по трубе или водопроводу , затем толкает лопасти турбины и вращает их, вращая генератор для производства электроэнергии.

Обычные гидроэлектростанции включают:

  • Русловые системы , где сила течения реки оказывает давление на турбину.Сооружения могут иметь водослив в водотоке для отвода потока воды к гидротурбинам.
  • Системы хранения , где вода накапливается в резервуарах, созданных плотинами на ручьях и реках, и сбрасывается через гидротурбины по мере необходимости для выработки электроэнергии. Большинство гидроэнергетических объектов США имеют плотины и водохранилища.

Насосные гидроаккумулирующие установки представляют собой тип гидроаккумулирующей системы, в которой вода перекачивается из источника воды в водохранилище на более высоком уровне и сбрасывается из верхнего водохранилища в силовые гидротурбины, расположенные ниже верхнего водохранилища.Электроэнергия для перекачки может поставляться гидротурбинами или другими типами электростанций, включая ископаемое топливо или атомные электростанции. Обычно они перекачивают воду в хранилище, когда спрос на электроэнергию и затраты на ее производство и / или когда оптовые цены на электроэнергию относительно низкие, и высвобождают накопленную воду для выработки электроэнергии в периоды пикового спроса на электроэнергию, когда оптовые цены на электроэнергию относительно высоки. Гидроэлектростанции с гидроаккумулятором обычно используют больше электроэнергии для перекачки воды в верхние водохранилища, чем они производят с накопленной водой.Таким образом, гидроаккумулирующие сооружения имеют чистый отрицательный баланс выработки электроэнергии. Управление энергетической информации США классифицирует выработку электроэнергии на гидроаккумулирующих гидроэлектростанциях как отрицательную.

История гидроэнергетики

Гидроэнергетика — один из старейших источников энергии для производства механической и электрической энергии, и до 2019 года она была крупнейшим источником общего годового производства электроэнергии из возобновляемых источников в США.Тысячи лет назад люди использовали гидроэнергетику, чтобы крутить гребные колеса на реках для измельчения зерна. До того, как в Соединенных Штатах стали доступны паровая энергия и электричество, зерновые и лесопильные заводы питались напрямую от гидроэлектроэнергии. Первое промышленное использование гидроэнергии для выработки электроэнергии в Соединенных Штатах было в 1880 году для питания 16 щеточно-дуговых ламп на фабрике стульев Росомахи в Гранд-Рапидс, штат Мичиган. Первая в США гидроэлектростанция для продажи электроэнергии открылась на реке Фокс недалеко от Аплтона, штат Висконсин, 30 сентября 1882 года.

В Соединенных Штатах работает около 1450 обычных и 40 гидроаккумулирующих электростанций. Самая старая действующая гидроэлектростанция в США — это гидроэлектростанция Whiting в Уайтинге, штат Висконсин, которая была введена в эксплуатацию в 1891 году и имеет общую генерирующую мощность около 4 мегаватт (МВт). Большая часть гидроэлектроэнергии в США производится на крупных плотинах на крупных реках, и большинство из этих плотин гидроэлектростанций были построены до середины 1970-х годов федеральными правительственными агентствами. Самый крупный U.Гидроэнергетический объект Южной и крупнейшая электростанция США по генерирующей мощности — это гидроэлектростанция Гранд-Кули на реке Колумбия в Вашингтоне с общей генерирующей мощностью 6765 МВт.

1 Электростанции коммунального назначения имеют не менее 1 мегаватта общей мощности по выработке электроэнергии. Генерирующая мощность — это чистая летняя мощность.

Последнее обновление: 8 апреля 2021 г.

Холодильные установки | Использование воды на электростанции для охлаждения

(Обновлено в сентябре 2020 г.)

  • Объем охлаждения, необходимый для любой электростанции с паровым циклом (заданного размера), определяется ее тепловым КПД.По сути, это не имеет никакого отношения к тому, работает ли он на угле, газе или уране.
  • Однако действующие в настоящее время атомные станции часто имеют немного более низкий тепловой КПД, чем угольные аналоги того же возраста, и угольные станции выбрасывают часть отработанного тепла с дымовыми газами, в то время как атомные станции используют воду.
  • Атомные электростанции имеют большую гибкость в размещении, чем угольные электростанции, благодаря логистике топлива, что дает им больше возможностей для выбора места размещения с учетом соображений охлаждения.

Наиболее распространенные типы атомных электростанций используют воду для охлаждения двумя способами:

  • Для передачи тепла от активной зоны реактора к паровым турбинам.
  • Для удаления и сброса излишков тепла из этого парового контура. (На любой электростанции с паровым циклом / циклом Ренкина, такой как современные угольные и атомные электростанции, происходит потеря около двух третей энергии из-за внутренних ограничений преобразования тепла в механическую энергию.)

Чем больше разница температур между внутренним источником тепла и внешней средой, куда сбрасывается избыточное тепло, тем эффективнее процесс выполнения механической работы — в данном случае поворот генератора на .Следовательно, желательно иметь высокую температуру внутри и низкую температуру во внешней среде. Это соображение приводит к желательному размещению электростанций рядом с очень холодной водой. *

* Многие электростанции, ископаемые и атомные, зимой имеют более высокую чистую выработку, чем летом из-за разницы в температуре охлаждающей воды.

1. Теплопередача парового цикла

Для передачи тепла от активной зоны вода непрерывно циркулирует в замкнутом паровом цикле и практически не теряется b .Он превращается в пар первичным источником тепла, чтобы заставить турбину выполнять работу по выработке электричества, а затем он конденсируется и под давлением перенастраивается на источник тепла в замкнутой системе c . В любой такой системе требуется очень небольшое количество подпиточной воды. Вода должна быть чистой и достаточно чистой. д

Эта функция практически одинакова, независимо от того, является ли электростанция атомной, угольной или газовой. Так работает любая электростанция парового цикла.Таким образом производится не менее 90% электроэнергии, не связанной с гидроэнергетикой, в каждой стране.

В атомной станции есть дополнительное требование. Когда установка, работающая на ископаемом топливе, закрывается, источник тепла удаляется. Когда атомная станция останавливается, некоторое количество тепла продолжает выделяться в результате радиоактивного распада, хотя деление прекращено. Это должно быть надежно удалено, и установка спроектирована таким образом, чтобы обеспечить и обеспечить это, как с обычным охлаждением, так и с системами аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), предоставляемыми в случае серьезной проблемы с первичным охлаждением.Обычное охлаждение изначально заключается в том, что основной контур подачи пара проходит в обход турбины и сбрасывает тепло в конденсатор. После падения давления в системе отвода остаточного тепла используется собственный теплообменник. Интенсивность этого остаточного тепла уменьшается со временем, сначала быстро, а через день или два перестает быть проблемой, если циркуляция поддерживается. *

* Когда ядерный реактор Kashiwazaki-Kariwa 7 автоматически остановился из-за сильного землетрясения в 2007 году, потребовалось 16 часов, чтобы температура охлаждающей жидкости снизилась с 287 до 100 ° C, чтобы он больше не закипал.«Холодный останов» — это когда первичный контур находится при атмосферном давлении и не кипит.

Остаточное тепло в топливе на реакторах Фукусима-дайити

2. Охлаждение для конденсации пара и отвода избыточного тепла

Вторая функция воды на такой электростанции — охлаждение системы с целью конденсации пара низкого давления и его рециркуляции. Поскольку пар во внутреннем контуре конденсируется обратно в воду, избыточное (отходящее) тепло, которое удаляется из него, необходимо отводить путем передачи в воздух или в водоем.Это главное соображение при выборе площадок для электростанций, и в исследовании по выбору площадок для АЭС в Великобритании в 2009 году все рекомендации касались площадок в пределах 2 км от обильных водоемов — моря или устья.

Эту функцию охлаждения для конденсации пара можно выполнить одним из трех способов:

  • Прямое или «прямоточное» охлаждение. Если электростанция находится рядом с морем, большой рекой или большим внутренним водоемом, это можно сделать, просто пропустив большое количество воды через конденсаторы за один проход и сбросив ее обратно в море, озеро или реку. на несколько градусов теплее и без особых потерь от выведенной суммы. e Это самый простой способ. Вода может быть соленой или пресной. Некоторое небольшое количество испарений будет происходить за пределами участка из-за того, что вода на несколько градусов теплее.
  • Рециркуляционное или непрямое охлаждение. Если у электростанции нет доступа к обильному количеству воды, охлаждение может быть выполнено путем пропускания пара через конденсатор, а затем с использованием градирни, где восходящий поток воздуха через капли воды охлаждает воду. Иногда для охлаждения воды может быть достаточно пруда или канала.Обычно охлаждение происходит в основном за счет испарения, при этом простая передача тепла воздуху имеет меньшее значение. Градирня испаряет до 5% потока, а охлажденная вода затем возвращается в конденсатор электростанции. 3–5% или около того эффективно расходуются, и их необходимо постоянно заменять. Это основной тип рециркуляционного или непрямого охлаждения.
  • Сухое охлаждение. Некоторые электростанции охлаждаются просто воздухом, не полагаясь на физику испарения.Это могут быть градирни с замкнутым контуром или поток воздуха с высокой принудительной тягой, проходящий через ребристый узел, такой как автомобильный радиатор.

На электростанции, работающей на ископаемом топливе, часть тепла выделяется с дымовыми газами. На большой угольной электростанции около 15% отходящего тепла проходит через дымовую трубу, тогда как на атомной электростанции практически все отходящее тепло должно сбрасываться в охлаждающую воду конденсатора. Это приводит к некоторой разнице в потреблении воды на атомной и угольной электростанциях.(Газотурбинная установка выбрасывает большую часть отработанного тепла в выхлопные газы.)

Помимо этого, и помимо размера, любые различия между установками связаны с термическим КПД , то есть тем, сколько тепла должно быть выброшено в окружающую среду, что, в свою очередь, в значительной степени зависит от рабочей температуры в парогенераторах. В электростанции, работающей на угле или обычном газе, можно эксплуатировать внутренние котлы при более высоких температурах, чем в котлах с тонко спроектированными ядерными топливными сборками, которые должны избегать повреждений.Это означает, что эффективность современных угольных электростанций, как правило, выше, чем у атомных электростанций, хотя это внутреннее преимущество может быть нивелировано средствами контроля выбросов, такими как десульфуризация дымовых газов (FGD) и, в будущем, улавливание и хранение углерода (CCS). .

Атомная или угольная электростанция, работающая с тепловым КПД 33%, должна будет сбрасывать на 14% больше тепла, чем электростанция с КПД 36%. f Атомные станции, которые строятся в настоящее время, имеют тепловой КПД около 34-36%, в зависимости от места (особенно температуры воды).Более старые часто эффективны только на 32-33%. Относительно новая угольная электростанция Stanwell в Квинсленде работает на 36%, но некоторые новые угольные электростанции приближаются к 40%, а один из новых ядерных реакторов требует 39%.

Некоторые тепловые КПД различных технологий сжигания угля

Страна Технологии Тепловой КПД Прогнозируемая эффективность с CCS
Австралия Черный сверхсверхкритический унитаз 43% 33%
Черный сверхкритический переменный ток 39%
собственный сверхсверхкритический туалет 35% 27%
Коричневый сверхкритический туалет 33%
Коричневый Викторианский 2009 WC 25.6%
Бельгия Черный сверхкритический 45%
Китай Черный сверхкритический 46%
Чешская Республика Коричневый PCC 43% 38%
Коричневый IGCG 45% 43%
Германия Черный PCC 46% 38%
Коричневый PCC 45% 37%
Россия Черный сверхсверхкритический PCC 47% 37%
США Черный PCC и IGCC 39% 39%

Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии ОЭСР, 2010 г. , таблицы 3.3; Викторианский бурый уголь из отчета ESAA 2010

PCC = сжигание пылевидного угля, AC = с воздушным охлаждением, WC = с водяным охлаждением

(В этом отчете нет данных по ядерной эффективности, но сопоставимая эффективность поколения III часто указывается как около 36%, см. Таблицу ниже)

Избранные примеры действующих ядерных энергетических реакторов

Реактор Мощность (МВт нетто) Тип / способ охлаждения пуск тепловой КПД
Канада Дарлингтон 1 881 PHWR / озеро, прямоточный 1977 31.2%
Франция Chooz B1 1455 PWR / башня, естественная тяга 1983 29,5%
США Низ персикового цвета 2 1055 BWR / река, однократно
(башня, принудительная тяга в режиме ожидания)
1973 32,3%
Япония Охи 4 1127 PWR / морские прямоточные 1992 34.3%
Южная Корея Hanbit / Yonggwang 6 996 PWR / морские прямоточные 2002 37,4%
Россия Белоярск 3 560 FBR / озеро, прямоточный 1980 41,5%

Справочник по ядерной инженерии Данные за 2010 год.Чистая мощность (МВт) — это за вычетом потерь от фактического энергопотребления станции. BWR = реактор с кипящей водой, PWR = реактор с водой под давлением, PHWR = реактор с тяжелой водой под давлением (CANDU). FBR = реактор-размножитель на быстрых нейтронах (при более высокой температуре).

В Европе (особенно в Скандинавии) низкая температура воды является важным критерием для размещения электростанции. Что касается планируемой турецкой атомной электростанции, то производительность будет увеличиваться на один процент, если какая-либо конкретная станция будет расположена на побережье Черного моря с более прохладной водой (в среднем на 5 ° C ниже), чем на побережье Средиземного моря.Для новых атомных электростанций в ОАЭ, поскольку морская вода в заливе в Браке составляет около 35 ° C, а не около 27 ° C, как в эталонных блоках Shin Kori 3 и 4, потребуются более крупные теплообменники и конденсаторы.

Согласно отчету Министерства энергетики (DOE) 2006 г., обсуждаемому в Приложении, в США 43% тепловых электрических генерирующих мощностей используют прямоточное охлаждение, 42% влажное рециркуляционное охлаждение, 14% бассейнов-охладителей и 1% сухое охлаждение (это только газовый комбинированный цикл). Спреды для угля и для атомной энергетики одинаковы.Для 104 АЭС США: 60 используют прямоточное охлаждение, 35 используют мокрые градирни и 9 используют двойные системы, переключаемые в зависимости от условий окружающей среды. Это распределение, вероятно, похоже на континентальную Европу и Россию, хотя АЭС Великобритании используют только прямоточное охлаждение морской водой, как и все электростанции в Швеции, Финляндии, Канаде (вода Великих озер), Южной Африке, Японии, Кореи и Китае. По данным МАГАТЭ, 45% атомных станций используют море для прямоточного охлаждения, 15% используют озера, 14% реки и 26% используют градирни.

Газовые установки с комбинированным циклом (газовая турбина с комбинированным циклом — CCGT) нуждаются в примерно одной трети инженерного охлаждения, чем обычные тепловые установки (много тепла выделяется в выхлопе турбины), и они часто используют сухое охлаждение на второй стадии.

* Установки ПГУ имеют газовую турбину (реактивный двигатель), работающую на жидком топливе или газе, соединенную с генератором. Выхлоп пропускается через парогенератор, а пар используется для привода другой турбины. Это приводит к общему тепловому КПД более 50%.Пар во второй фазе должен конденсироваться либо с помощью конденсатора с воздушным охлаждением, либо с помощью влажного охлаждения.

Установки комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), очевидно, нуждаются в меньшем количестве технических средств охлаждения, чем другие, поскольку побочное тепло фактически используется для чего-то, а не рассеивается бесполезно.

Из-за потерь тепла через дымовые газы в дымовой трубе угольные электростанции простого цикла имеют более низкую нагрузку отвода тепла через конденсатор и систему охлаждения, чем атомные электростанции простого цикла.Однако они также нуждаются в воде для очистки и удаления угольной золы, что уменьшает разницу между потребностями в воде для атомных и угольных электростанций. Основное различие, оцениваемое Институтом исследований в области электроэнергетики США (EPRI), как правило, составляет 15-25%, не является достаточно значительным фактором при выборе между атомной энергетикой и углем. EPRI считает, что в целом доступная экономия воды за счет таких подходов, как воздушное охлаждение, нетрадиционные источники воды, потоки сточных вод заводов по переработке и повышение эффективности преобразования тепловой энергии, намного перевешивает любые различия между потребностями в воде для атомных станций и угля.

График в World Energy Outlook 2016 показывает, что для прямоточного охлаждения атомные и традиционные угольные электростанции очень похожи как по потреблению, так и по расходу в литрах на МВтч, но газовая ПГУ и сверхкритический уголь значительно меньше. Что касается водяного охлаждения башни, то ядерная энергия имеет больший объем извлечения, но меньшее потребление, чем обычный уголь.

EPRI 2010 (около 15% отработанного тепла угольных электростанций отводится через дымовую трубу, а не через охлаждающую воду).NB галлон США = 3,79 литра

Прямое или прямоточное влажное охлаждение

Если угольная или атомная электростанция находится рядом с большим объемом воды (большая река, озеро или море), охлаждения можно добиться, просто пропустив воду через станцию ​​и выпустив ее при немного более высокой температуре. В этом случае вряд ли есть смысл в смысле потребления или истощения на месте, хотя некоторое испарение будет происходить по мере охлаждения ниже по потоку. Требуемое количество воды будет больше, чем в рециркуляционной установке, но вода забирается и возвращается, а не расходуется на испарение.В Великобритании потребность в водозаборе для атомного блока мощностью 1600 МВт составляет около 90 кубометров в секунду (7,8 GL / день).

Многие атомные электростанции имеют прямоточное охлаждение (OTC), поскольку их расположение вообще не определяется источником топлива и зависит, во-первых, от того, где требуется мощность, а во-вторых, от наличия воды для охлаждения. Использование морской воды означает, что для предотвращения коррозии необходимо использовать материалы более высокого качества, но охлаждение часто оказывается более эффективным. Согласно исследованию французского правительства 2008 года, размещение РОП на реке, а не на побережье, снизит его производительность на 0.9% и увеличить стоимость кВтч на 3%.

Любая атомная или угольная электростанция, которая обычно охлаждается за счет забора воды из реки или озера, будет иметь ограничения на температуру возвращаемой воды (обычно 30 ° C) и / или на разницу температур между входом и выходом. В жарких летних условиях даже поступающая из реки вода может приближаться к установленному пределу сброса, и это будет означать, что установка не сможет работать на полную мощность. В середине 2010 года TVA пришлось снизить энергопотребление на своих трех установках Browns Ferry в Алабаме до 50%, чтобы поддерживать температуру воды в реке ниже 32 ° C, что обошлось клиентам в 50 миллионов долларов.На этой неделе температура Рейна и Неккара в Баден-Вюртемберге приблизилась к критическим 28 ° C, а атомные и угольные электростанции оказались под угрозой закрытия. В августе 2012 года один блок электростанции Миллстоун в Коннектикуте был закрыт из-за того, что морская вода в проливе Лонг-Айленд превысила 24 ° C, но в 2014 году NRC разрешил использовать морскую воду с температурой до 26,7 ° C. Атомная электростанция Турция-Пойнт во Флориде использует 270 км открытых каналов для охлаждения воды конденсатора, а в 2014 году NRC одобрил увеличение предельной температуры на входе до 40 ° C с 37.8 ° С.

Иногда для помощи используется дополнительная градирня, образуя двойную систему, как на заводах TVA Browns Ferry и Sequoyah в США, на многих заводах во Франции и Германии, а также на заводе Huntly в Новой Зеландии, но это означает, что немного воды затем теряется при испарении. В середине 2010 года, когда упоминалась выше ситуация с паромом Brown’s Ferry, шесть «сезонных» градирен с механической тягой высотой 18-24 м работали на полную мощность и проработали большую часть лета. TVA потратила 160 миллионов долларов на добавление одной более крупной (около 50 м) градирни с механической тягой, введенной в эксплуатацию в 2012 году, и постепенно заменяет четыре существующие градирни улучшенной конструкции.

Рециркуляционное или непрямое влажное охлаждение

Если на электростанции мало воды, она может отводить излишки тепла в воздух с помощью систем рециркуляции воды, которые в основном используют физику испарения.

Градирни с рециркуляцией воды — обычная визуальная особенность электростанций, часто наблюдаемая с шлейфами конденсированного водяного пара. Иногда в прохладном климате можно использовать просто пруд, из которого испаряется горячая вода.

Большинство ядерных энергетических (и других тепловых) станций с рециркуляционным охлаждением охлаждаются водой в контуре конденсатора, а горячая вода затем направляется в градирню.При этом может использоваться либо естественная тяга (эффект дымохода), либо механическая тяга с использованием больших вентиляторов (позволяющая получить гораздо более низкий профиль, но с использованием мощности *). Охлаждение в градирне происходит за счет передачи тепла воды воздуху, как напрямую, так и за счет испарения части воды. В Великобритании потребность в воде для атомного блока мощностью 1600 МВт составляет около 2 кубических метров в секунду (173 МЛ / день), это примерно половина для испарения и половина для продувки (см. Ниже).

* Chinon B во Франции (4×905 МВт) и предлагаемая электростанция Calvert Cliffs в США (1650 МВт) используют низкопрофильные градирни с наддувом.В Chinon B одна градирня на блок имеет высоту 30 м (вместо 155 м, необходимых для этого типа с естественной тягой), диаметр 155 м и использует 8 МВт (эл.) Для своих 18 вентиляторов (0,9% мощности). На Calvert Cliffs вентиляторы градирни будут потреблять около 20 МВт (1,2%) мощности.

Chinon B, Франция, с низкопрофильными градирнями с наддувом

Кредит: EDF / Марк Мурсо

Наиболее распространенная конфигурация градирен с естественной тягой называется противоточной.Эти башни имеют большую бетонную оболочку с теплообменной «заливкой» в слое над входом холодного воздуха в основании оболочки. Воздух, нагретый горячей водой, поднимается вверх через кожух за счет конвекции (эффект дымохода), создавая естественную тягу, обеспечивающую поток воздуха для охлаждения горячей воды, распыляемой сверху. Другие конфигурации включают поперечный поток, когда воздух движется поперечно через воду, и прямоток, когда воздух движется в том же направлении, что и капли воды. Эти башни не требуют вентиляторов и имеют низкие эксплуатационные расходы, но значительные затраты на техническое обслуживание.Для большого растения они могут быть высотой более 200 метров. Они используются на крупных атомных и угольных электростанциях в Европе, восточной части США, Австралии и Южной Африке

Градирни с механической тягой имеют большие осевые вентиляторы, выполненные из дерева и пластика. Вентиляторы обеспечивают воздушный поток и могут обеспечивать более низкую температуру воды, чем градирни с естественной тягой, особенно в жаркие засушливые дни. Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что для них требуется вспомогательная энергия, обычно около 1% от мощности установки, но не более 1.2% от этого. Вытяжные градирни с механической вытяжкой используются исключительно в центральной и западной части США, поскольку они могут обеспечить более контролируемую производительность в широком диапазоне условий, от замораживания до жарких и сухих. Кроме того, они менее заметны, их высота не превышает 50 метров.

Такие градирни увеличивают потребление воды, при этом испаряется до 3,0 литров на каждый произведенный киловатт-час г , в зависимости от условий ч . Эта потеря воды при испарении из-за фазового перехода нескольких процентов ее из жидкости в пар отвечает за отвод большей части тепла от охлаждающей воды за счет лишь небольшой части объема циркулирующей жидкости (хотя и довольно большой доли воды, фактически забираемой из озера или ручья).Считается, что потребление воды при испарении обычно примерно вдвое больше, чем при прямом охлаждении.

Градирни с рециркуляцией воды снижают общий КПД электростанции на 2-5% по сравнению с прямоточным использованием воды из моря, озера или большого ручья, количество зависит от местных условий. Согласно исследованию Министерства энергетики США, проведенному в 2009 году, они примерно на 40% дороже, чем прямая прямоточная система охлаждения.

Вода, испаряющаяся из градирни, приводит к увеличению концентрации примесей в оставшемся теплоносителе.Некоторый стравливание — известное как «продувка» — необходимо для поддержания качества воды, особенно если вода для начала перерабатывается муниципальными сточными водами — как, например, в Пало-Верде, штат Аризона *, и предлагается для завода в Иордании Мадждал. Таким образом, необходимая замена воды примерно на 50% больше, чем фактическая замена испарителя, поэтому система такого типа потребляет (за счет испарения) до 70% забираемой воды.

* Около 220 мл очищенных сточных вод в день перекачивается в 70 км от Феникса, Азия, на трехблочную станцию ​​мощностью 3875 МВт (эл.).Испарение составляет 76 мл / день на единицу, а продувка 4,7 мл / день при солености примерно такой же, как у морской воды, сбрасываемой в пруды-испарители, следовательно, используется около 2,6 л / кВтч. Он имеет три градирни с механической тягой для каждого блока.

Даже при относительно низкой чистой потребности в воде для рециркуляционного охлаждения большие электростанции могут превосходить то, что летом легко достается из реки. На атомной электростанции Civaux мощностью 3000 МВт (эл.) Во Франции в плотинах выше по течению хранится 20 GL воды, чтобы обеспечить адекватное снабжение в условиях засухи.

На некоторых атомных станциях используются бассейны-охладители, которые представляют собой другой тип охлаждения с замкнутым циклом, снижающий потери на испарение, связанные с градирнями. Пруды-охладители требуют значительного количества земли и могут оказаться невозможными по другим причинам. Преимущество пруда-охладителя заключается в том, что он передает больший процент отработанного тепла в атмосферу посредством конвекции или более медленного испарения из-за более низких перепадов температур, что снижает скорость испарения и, таким образом, скорость потребляемых потерь воды по сравнению с градирнями.Кроме того, их воздействие на окружающую среду обычно меньше, чем прямое охлаждение.

Несмотря на то, что на многих угольных и атомных электростанциях используются мокрые градирни, в США на производство электроэнергии приходится только около 3% всего потребления пресной воды, по данным Геологической службы США — около 15,2 гигалитра в день (5550 GL / год). Это было бы просто для внутренних угольных и атомных электростанций без доступа к обильному количеству воды для прямоточного охлаждения. Австралийские угольные электростанции потребляют около 290 GL в год , что эквивалентно двум третям водоснабжения Мельбурна.

Сухое охлаждение

В тех случаях, когда доступ к воде еще более ограничен или приоритетом являются экологические и эстетические соображения, для обычных реакторов можно выбрать методы сухого охлаждения. Как следует из названия, в этом случае в качестве среды передачи тепла используется воздух, а не испарение из контура конденсатора. Сухое охлаждение означает минимальную потерю воды. Доступны два основных типа технологий сухого охлаждения.

Одна конструкция работает как автомобильный радиатор и использует принудительную тягу с высоким потоком через систему ребристых трубок в конденсаторе, через которые проходит пар, просто передавая свое тепло напрямую окружающему воздуху.Тогда вся электростанция использует менее 10% воды, необходимой для установки с влажным охлаждением j , но некоторая мощность (около 1–1,5% выходной мощности электростанции) потребляется необходимыми большими вентиляторами. k Это прямое сухое охлаждение с использованием конденсатора с воздушным охлаждением (ACC), и единственная атомная электростанция, на которой он обычно используется, — это очень маленькие реакторы в Билибино в арктической зоне вечной мерзлоты в Сибири, хотя THTR-300 экспериментальный реактор в Германии в 80-е годы также имел воздушное охлаждение.

В качестве альтернативы может все еще существовать контур охлаждения конденсатора, как в случае с влажным рециркуляционным охлаждением, но вода в нем закрывается и охлаждается потоком воздуха, проходящим через оребренные трубы в градирне. * Тепло передается воздуху, но неэффективно. Эта технология не является предпочтительной, если возможно влажное охлаждение в зависимости от испарения, но потребление энергии составляет всего 0,5% от выхода.

Резервная система отвода остаточного тепла, вводимая в эксплуатацию на атомной электростанции Ловииса в Финляндии в 2015 году, имеет две градирни: одна для системы отвода остаточного тепла, подключенной к парогенераторам, а другая — для других нужд, включая топливо. бассейны.Они могут сначала перевести установку в режим горячего, а затем в холодный режим.

* Некоторые градирни с механической тягой представляют собой гибридную конструкцию, включающую сухую часть над мокрой. Используемый режим охлаждения зависит от сезона, при этом предпочтительнее сухое охлаждение в более холодные месяцы.

В обоих случаях нет зависимости от испарения и, следовательно, потерь охлаждающей воды на испарение. Использование вентиляторов также позволяет лучше контролировать охлаждение, чем просто использование естественной тяги.Однако передача тепла намного менее эффективна и, следовательно, требует гораздо более крупной охлаждающей установки, которая механически более сложна. Компания Eskom в Южной Африке указывает, что установки с сухим охлаждением имеют общее потребление воды менее 0,8 л / кВтч, что соответствует потерям в паровом цикле (сравните примерно 2,5 л / кВтч для установок с влажным охлаждением). Eskom строит две из крупнейших угольных электростанций в мире — каждая мощностью 6 x 800 МВт, — и одна из них будет крупнейшей в мире электростанцией с сухим охлаждением.

Вряд ли какие-либо генерирующие мощности в США используют сухое охлаждение, а в Великобритании оно было исключено как непрактичное и ненадежное (в жаркую погоду) для новых атомных станций.В исследовании Министерства энергетики США в 2009 году говорится, что они в три-четыре раза дороже, чем рециркуляционная система влажного охлаждения. Во всех заявках на получение лицензии на новые установки в США сухое охлаждение отвергалось как неосуществимое или неприемлемое из-за потери эффективности выработки электроэнергии и значительно более высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Для больших блоков также существуют последствия для безопасности, связанные с отводом остаточного тепла после аварийного останова с потерей мощности. В Иране четыре немецких реактора мощностью 1300 МВт, запланированные в 1970-х годах в Исфахане и Саве, должны были использовать сухое охлаждение, с двумя градирнями высотой 260 м и диаметром 170 м каждая.Маловероятно, что в обозримом будущем крупные атомные станции перейдут на сухое охлаждение.

Однако два американских малых модульных реактора (SMR) — Holtec SMR-160 и B&W mPower — используют или могут использовать сухое охлаждение, что дает гораздо большую гибкость при размещении. B&W заявляет о 31% тепловом КПД при использовании конденсатора с воздушным охлаждением, а также о снижении мощности со 180 МВт для водяного охлаждения до 155 МВт для охлаждения с воздушным конденсатором в результате снижения термодинамической эффективности.В модуле реактора NuScale 60 МВт, который планируется построить в Национальной лаборатории Айдахо, будет использоваться сухое охлаждение, что снизит потребление воды примерно на 90% и снизит выходную мощность на 5-7%.

Оба типа сухого охлаждения связаны с большими затратами на установку охлаждения и намного менее эффективны, чем водяные градирни, использующие физику испарения l , поскольку единственное охлаждение осуществляется за счет относительно неэффективной передачи тепла от пара или воды к воздуху через металл плавники, а не испарением. В жарком климате температура окружающего воздуха может составлять 40 градусов C, что сильно ограничивает охлаждающий потенциал по сравнению с температурой по влажному термометру, составляющей, возможно, 20ºC, что определяет потенциал для влажной системы.Однако, если модернизируются сухие системы, влажная система по-прежнему доступна для жаркой погоды.

Прогнозируемые данные Австралии по углю * показывают снижение теплового КПД воздушного охлаждения на 32% по сравнению с водяным охлаждением, например, с 33% до 31%.

* В ОЭСР Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии 2010 г. Таблицы 3.3.

Вода является ограничением для производства электроэнергии на угле во внутреннем Китае, большая часть которого находится в регионах с дефицитом воды. Модернизация системы воздушного охлаждения снижает эффективность на 3-10% и, как сообщается, стоит около 200 миллионов долларов на 1000 МВтэ мощности * — около 2.5 центов / кВтч. World Energy Outlook 2015 сообщает, что более 100 ГВт угольных электростанций в северном Китае (12% всего угольного парка) используют сухое охлаждение, и ожидается, что потребность в нем будет расти. В частности, около 175 ГВт установленной мощности по сжиганию угля необходимо модернизировать с использованием сухого охлаждения. Из-за высокой стоимости транспортировки угля, более чем в три раза превышающей стоимость добычи от Синьцзяна до восточного побережья, много новых мощностей строится рядом с шахтами на севере, а энергия передается на юг по линиям HVDC.Прирост стоимости сухого охлаждения показан примерно на уровне 0,7 долл. США / МВт-ч, как и стоимость HVDC.

* Финансовый отчет Bloomberg New Energy от 25.03.13.

Китай планирует построить небольшие модульные реакторы на расплаве соли в качестве энергетического решения на северо-западе страны, где мало воды и низкая плотность населения. Применение безводного охлаждения в засушливых регионах с использованием реакторов TMSR-SF предусматривается в конце 2020-х годов. Помимо твердотопливных конструкций, планируется установка MSR на жидком топливе мощностью 168 МВт (эл.).Отвод остаточного тепла пассивный, путем охлаждения полости.

Экологические и социальные аспекты охлаждения

Каждый из различных методов охлаждения влечет за собой свой собственный набор местных экологических и социальных воздействий и подлежит регулированию.

В случае прямого охлаждения, воздействия включают количество забираемой воды и воздействие на организмы в водной среде, особенно на рыбу и ракообразных. Последнее включает в себя как убой из-за столкновения (отлов более крупной рыбы на экранах) и увлечение (вытягивание более мелкой рыбы, икры и личинок через системы охлаждения), так и изменение условий экосистемы, вызванное повышением температуры сбрасываемой воды.

В случае мокрых градирен воздействия включают потребление воды (в отличие от простого забора) и эффекты визуального шлейфа пара, выбрасываемого из градирни. Многие люди считают такие шлейфы помехой, в то время как в холодных условиях некоторые конструкции башен допускают образование льда, который может покрывать землю или близлежащие поверхности. Другой возможной проблемой является унос, когда в каплях воды могут присутствовать соль и другие загрязнители.

Со временем знания об этих эффектах расширились, воздействия были количественно оценены, и были разработаны решения.Технические решения (такие как рыбные сетки и каплеуловители) могут эффективно смягчить многие из этих воздействий, но с соответствующими затратами, которые возрастают со сложностью.

На атомной станции, за исключением незначительного хлорирования, охлаждающая вода не загрязняется при использовании — она ​​никогда не контактирует с ядерной частью станции, а только охлаждает конденсатор в машинном зале.

В региональном и глобальном масштабе менее эффективные средства охлаждения, особенно сухое охлаждение, приведут к увеличению связанных выбросов на единицу отправляемой электроэнергии.Это больше беспокоит электростанции, работающие на ископаемом топливе, но, возможно, имеет последствия и для ядерной энергетики с точки зрения образующихся отходов.

Что касается политики, то в одном отчете Министерства энергетики США отмечается, что основным эффектом Закона США о чистой воде является регулирование воздействия использования охлаждающей воды на водную флору и фауну, и это уже приводит к выбору рециркуляционных систем вместо прямоточных для пресная вода. Это приведет к увеличению расхода воды, если не будут использоваться более дорогие и менее эффективные системы сухого охлаждения.Это поставит атомную энергетику в невыгодное положение по сравнению со сверхкритическим углем, хотя требования по десульфуризации дымовых газов (FGD) для угля выровняют водный баланс, по крайней мере, до некоторой степени, а любое будущее улавливание и хранение углерода (CCS) еще больше ухудшит уголь.

В августовском отчете Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL) Министерства энергетики США были проанализированы последствия введения новых экологических норм для угольных электростанций в США. Ожидается, что надвигающееся нормотворчество Агентства по охране окружающей среды в феврале 2011 года обяжет использование градирен в качестве «наилучшей доступной технологии» для минимизации воздействия на окружающую среду от водозаборов, вместо того, чтобы позволять проводить оценки для конкретных участков и анализ затрат и выгод для определения наилучшего варианта из возможных. ряд проверенных технологий для защиты водных видов.Это может означать, что на всех новых заводах — и, возможно, на многих существующих установках — необходимо установить градирни вместо использования прямоточного охлаждения, которое требует много воды, но около 96% ее возвращается, немного теплее. Градирни, будучи более дорогими, работают за счет испарения большого количества воды, создавая нагрузку на запасы пресной воды — согласно отчету, они потребляют 1,8 л / кВт · ч, по сравнению с менее 0,4 л / кВт · ч для прямоточного охлаждения. . В отчете NETL отмечается, что прогнозируемое увеличение использования воды на угольных электростанциях в течение следующих двух десятилетий, если прямое охлаждение больше не будет разрешено на новых станциях, не влияет на вероятность того, что многие угольные электростанции добавят технологию улавливания и хранения углерода (CCS) в свои системы. ограничивают выбросы углерода в США, тем самым увеличивая потребление воды еще на 30-40%.

Исследование, проведенное в 2010 году Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI), показало, что общая стоимость модернизации электростанций США с градирнями превысит 95 миллиардов долларов. Стоимость только 39 АЭС (63 реактора) составит почти 32 миллиарда долларов. Исследование EPRI охватывало 428 электростанций США с прямоточными системами охлаждения, которые потенциально подпадали под действие пересмотренных правил Агентства по охране окружающей среды США, якобы для защиты водных организмов от попадания в водозаборные сооружения охлаждающей воды.Как отмечалось выше, согласно предложенным поправкам к Закону о чистой воде, EPA могло бы потребовать, чтобы охлаждение замкнутого цикла было «наилучшей доступной технологией» для минимизации неблагоприятного воздействия на окружающую среду для водных организмов. В исследовании EPRI рассматривались капитальные затраты, потери доходов от продолжительных отключений, необходимых для изменения систем, и затраты, связанные с потерями в эффективности установки, включая увеличение потребления энергии вентиляторами и насосами в системах охлаждения с замкнутым циклом. Такое изменение обойдется 311 миллионам граждан США в 305 долларов на человека, чтобы модернизировать все электростанции с прямоточной системой охлаждения, «чтобы устранить практически несуществующее воздействие на окружающую среду, согласно научным исследованиям популяций водных организмов на этих станциях», — говорится в сообщении. Институт ядерной энергии, промышленная ассоциация США.

В мае 2014 года EPA издало окончательное правило для водозаборов, охватывающее 1065 заводов и фабрик, которое позволяет существующим предприятиям использовать ряд вариантов защиты водных организмов, хотя новым потребуются системы замкнутого цикла. *

* NEI прокомментировал: «Градирни потребляют в два раза больше воды из водоемов, которые мы хотим защитить, по сравнению с прямоточными системами охлаждения. Этот факт очень важен с учетом прогнозов о том, что большая часть нашей страны столкнется с нехваткой водных ресурсов в будущем.Технологические решения для водозабора охлаждающей воды электростанции могут быть очень эффективными в защите рыб и могут учитывать экологическое разнообразие различных участков. Как EPA ранее указывало, такие решения, как передвижные экраны с системой сбора и возврата, сопоставимы с градирнями в защите водных организмов в водоемах, используемых для охлаждения электростанций ».

Во Франции все атомные электростанции EdF, кроме четырех (14 реакторов), находятся внутри страны и требуют пресной воды для охлаждения.Одиннадцать из 15 внутренних станций (32 реактора) имеют градирни с испарительным охлаждением, остальные четыре (12 реакторов) напрямую используют речную или озерную воду. При нормативных ограничениях на повышение температуры в водоприемниках это означает, что в очень жаркое лето выработка электроэнергии может быть ограничена. *

* Например, в Бугее максимальное повышение температуры воды летом обычно составляет 7,5 ° C и 5,5 ° C летом, при максимальной температуре нагнетания 30 ° C (34 ° C летом) и максимальной температуре ниже по течению 24 ° C (26 ° C допускается до 35 лет. дней).Для заводов, использующих прямое охлаждение с моря, допустимое повышение температуры на море составляет 15 ° C.

В США заводы, использующие прямое охлаждение от рек, должны снижать мощность в жаркую погоду. Три агрегата Browns Ferry компании TVA работают на 50%, в то время как температура в реке превышает 32 ° C.

За одним исключением, все атомные электростанции в Великобритании расположены на побережье и используют прямое охлаждение. В исследовании 2009 года, проведенном в Великобритании по выбору места для нового строительства атомной электростанции, все рекомендации относились к площадкам в пределах 2 км от обильной воды — моря или устья.

Австралийское исследование, предлагающее возобновляемые источники энергии (ветряные и солнечные) для объекта в Южной Австралии, предлагает цифру 0,74 GL / год использования воды для очистки зеркал (гелиостатов) на установке CSP общей мощностью 540 МВт, 2810 ГВт / год, следовательно, 0,26 L / кВтч.

При сравнении потребности в воде атомных электростанций и электростанций, работающих на угле, необходимо учитывать использование воды помимо охлаждения. При очистке и транспортировке угля, а также при удалении золы часто используется много воды. Это может вызвать загрязнение, как и стоки с угольных складов.

Будущие последствия требований к охлаждению для ядерной энергетики

Пресная вода — ценный ресурс в большинстве частей мира. Там, где его совсем мало, общественное мнение поддерживает политику правительства, основанную на здравом смысле, чтобы свести к минимуму ее потери.

Помимо близости к основным центрам нагрузки, нет причин размещать атомные электростанции вдали от побережья, где они могут использовать прямоточное охлаждение морской водой. При размещении угольных заводов необходимо учитывать логистику поставок топлива (и связанный с этим внешний вид), поскольку на каждую станцию ​​мощностью 1000 МВт в год требуется более трех миллионов тонн угля в год.

«Потребление воды атомными станциями является значительным, но лишь немного выше, чем потребление воды угольными станциями. Атомные станции работают при относительно более низких температуре и давлении пара, и, следовательно, более низкий КПД цикла, что, в свою очередь, требует более высоких расходов охлаждающей воды. Угольные заводы с более высокой эффективностью могут охлаждаться с немного меньшим количеством воды на единицу мощности, но разница небольшая. *

* Проблемы и возможности охлаждающей воды на АЭС США, октябрь 2010 г., INL / EXT-10-2028.

Если какая-либо тепловая электростанция — угольная или атомная — должна быть размещена внутри страны, наличие охлаждающей воды является ключевым фактором при размещении. Там, где количество охлаждающей воды ограничено, большое значение имеет высокий тепловой КПД, хотя любое преимущество, скажем, сверхкритического угля над ядерным, вероятно, будет значительно уменьшено из-за потребности в воде для FGD.

Даже если количество воды настолько ограничено, что ее нельзя использовать для охлаждения, тогда установка может быть размещена вдали от требований нагрузки и там, где имеется достаточно воды для эффективного охлаждения (с учетом некоторых потерь и дополнительных затрат на передачу) m .

Атомные станции

поколения III + имеют высокий тепловой КПД по сравнению с более старыми, и не должны находиться в невыгодном положении по сравнению с углем с точки зрения использования воды.

Соображения по ограничению выбросов парниковых газов, конечно, будут накладываться на вышеизложенное. Данные Министерства энергетики США показывают, что улавливание CO2 увеличит потребление воды на угольных и газовых электростанциях на 50-90%, что сделает первые более водоемкими, чем атомные. *

* «Требования к воде для существующих и новых технологий термоэлектрических установок» DOE / NETL-402/080108, август 2008 г.

Еще одно значение связано с когенерацией, использующей отходящее тепло атомной электростанции на побережье для опреснения MSF. В большинстве случаев опреснения на Ближнем Востоке и в Северной Африке уже используется отходящее тепло нефтегазовых электростанций, и в будущем ряд стран ожидают использования ядерной энергии для этой роли когенерации. См. Также информационный документ по ядерному опреснению.


ПРИЛОЖЕНИЕ: Комментарий к отчетам США

Очевидно, что кроме тепла, отводимого с дымовыми газами от угольной установки, и любой разницы в тепловом КПД, которая влияет на количество тепла, сбрасываемого в систему охлаждения, нет реальной разницы в количестве воды, используемой для охлаждение атомных электростанций по сравнению с угольными станциями того же размера.Однако в некоторых исследованиях в США указывается на существенное различие между угольными и атомными станциями, очевидно, связанное с (неустановленным) тепловым КПД выбранных примеров. Исследования исключают атомные станции на побережье, которые используют для охлаждения соленую воду.

Технический отчет EPRI за март 2002 года: Вода и устойчивость (том 3): Потребление воды в США для производства электроэнергии — следующие полвека. стремится оценить будущее потребление воды, связанное с производством электроэнергии в США, примерно до 2020 года.Он использует некоторые «типичные» цифры забора и потребления воды, которые показывают заметные различия между углем и атомной электростанцией, без указания их источника или объяснения их величины. Он ориентирован только на пресную воду и игнорирует растения с охлаждением морской водой. Его выводы представлены на региональной основе в свете прогнозируемого увеличения количества поколений и вероятных изменений в технологиях производства, таких как переход от угля к газу комбинированного цикла.

EPRI указывает, что этот отчет за 2002 год заменен отчетом за 2008 год: «Использование воды в производстве электроэнергии», но он недоступен.Отчеты за 2002 и 2008 годы основаны на примерах из общедоступных данных и базах данных EPRI, которые предоставляют информацию об использовании охлаждающей воды и отклонении тепла для нескольких объектов. Цифры, приведенные в этих отчетах, и приведенная выше столбчатая диаграмма в целом представляют потребности в водопользовании. Полученные EPRI цифры постоянно были примерно на 10% ниже, чем аналогичные цифры, предоставленные DOE, поскольку DOE использует теоретические расчеты для получения своих показателей водопользования, а не усреднение фактических данных по растениям, как в подходе EPRI.

Другие отчеты по оценке потребностей в пресной воде взяты из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США в 2006 году с обновлением за 2008 год и более общие отчеты за 2009 год. Первые два рассчитаны на 2030 год и используют пять сценариев охлаждения, применяемых к региональные прогнозы прироста и выбытия. Здесь предположения для будущих угольных электростанций: 70% сверхкритических n и 30% подкритических, причем первые имеют очень высокий тепловой КПД, по сравнению с любой атомной станцией поколения III.Однако предполагается, что угольные электростанции нуждаются в десульфуризации дымовых газов (ДДГ), что обычно увеличивает потребление воды.

Требования к охлаждающей воде для каждого типа установок были рассчитаны на основе данных NETL и представлены в следующей таблице для «модельных» установок потребления пресной воды:

Уголь прямоточный, докритический, мокрый FGD 0,52 л / кВт · ч
Уголь прямоточный, сверхкритический, мокрая ДДГ 0.47 литров / кВтч
Ядерная, прямоточная, подкритическая 0,52 л / кВт · ч
Уголь рециркуляционный, докритический, мокрая ДДГ 1,75 л / кВтч
Уголь рециркуляционный, сверхкритический, мокрая ДДГ 1,96 л / кВт · ч
Ядерная, рециркуляционная, докритическая 2,36 л / кВт · ч

Цифры озадачивают, так как для сверхкритического угля следует использовать значительно менее эффективные докритические угольные электростанции, а для рециркуляционного использования градирен большая разница между докритическим углем и ядерной энергией необъяснима.Очевидно, что существуют важные переменные, которые не учитываются, хотя они, безусловно, должны иметь отношение к прогнозам NETL.

Отчет DOE / NETL за 2009 год показывает диаграмму (рис. 3-6), в которой приводится отчет EPRI за 2002 год, где указано чистое потребление с использованием градирен от 2,27 до 3,8 л / кВтч для атомной энергетики *. Это намного больше, чем цифры на диаграмме докритического сжигания угля с FGD (рис. 3-2) — 1,9–2,5 л / кВтч (0,505–0,665 галлонов / кВтч) с аналогичной продувкой.

* Подпитка охлаждающей воды 3.От 0 до 4,1 л / кВтч (0,8-1,1 галлона / кВтч), без продувки 0,06-0,20 галлона / кВтч.

Другая диаграмма (рис. 3-1) со ссылкой на EPRI 2002 дает нетто 2,7 л / кВтч (0,72 галлона / кВтч) для атомной энергетики и 2,0 л / кВтч (0,52 галлона) для докритического угля. В пояснении в тексте говорится: «Атомные станции имеют более высокую нагрузку на градирню по сравнению с чистой выработкой электроэнергии. Это связано с тем, что условия пара ограничиваются эффектами хрупкости металла от ядерного реактора, что снижает эффективность». Однако ни он, ни отчет EPRI не оправдывают большую разницу, которая должна быть напрямую связана с потерями тепла в дымовой трубе на угольных электростанциях и с тепловым КПД.


Примечания и ссылки

Банкноты

а. При теоретической полной эффективности и с учетом только паровой фазы это известно как цикл Карно. Эффективность Карно системы относится к разнице между уровнями тепла на входе и выходе и в более общем смысле называется термической эффективностью. [Назад]

г. Этот термодинамический процесс превращения тепла в работу также известен как цикл Ренкина или, в более простом смысле слова, как цикл пара, который можно рассматривать как практический цикл Карно, но с использованием насоса для возврата текучей среды в виде жидкости к источнику тепла.[Назад]

г. Конденсатор предназначен для конденсации отработавшего пара из паровой турбины за счет потери скрытой теплоты парообразования охлаждающей воде (или, возможно, воздуху), проходящей через конденсатор. Температура конденсата определяет давление на той стороне конденсатора. Это давление называется противодавлением турбины и обычно представляет собой частичный вакуум. Снижение температуры конденсата приведет к снижению противодавления турбины, что увеличит тепловой КПД турбины.Типичный конденсатор состоит из трубок в кожухе или кожухе.

Могут быть первичные и вторичные контуры, как в реакторах с водой под давлением (PWR) и двух или трех других типах. В этом случае первый контур просто передает тепло от активной зоны реактора к парогенераторам, а вода в нем остается жидкой под высоким давлением. В реакторах с кипящей водой и в реакторах другого типа вода закипает в активной зоне или рядом с ней. То, что сказано в основной части статьи, относится ко второй ситуации или вторичной цепи, где их два.[Назад]

г. В ядерном реакторе вода или тяжелая вода должна поддерживаться под очень высоким давлением (1000-2200 фунтов на квадратный дюйм, 7-15 МПа), чтобы она оставалась жидкой при температуре выше 100ºC, как в современных реакторах. Это имеет большое влияние на реакторную технику.

Более подробная информация о различных теплоносителях первого контура содержится в статье Nuclear Power Reactors . [Назад]

e. В отчете Геологической службы США за 1995 г. говорилось, что 98% изъятия обычно возвращается в источник.[Назад]

ф. Для данной электрической мощности, поскольку установка должна быть больше (для данной мощности при 36% необходимо сбросить в 1,78 раза больше тепла, при 33% необходимо сбросить в 2,03 раза больше тепла — разница 14%). Если просто посмотреть на долю потерь тепла на конкретной установке при двух значениях эффективности, разница составит 5%, а вырабатывается на 8% меньше электроэнергии. [Назад]

г. На каждый киловатт-час электрической мощности при тепловом КПД 33% необходимо сбросить 7,3 МДж тепла.При тепловом КПД 36% сбрасывается 6,4 МДж. При скрытой теплоте парообразования 2,26 МДж / л это приводит к испарению 3,2 литра или 2,8 литра на кВтч соответственно, если весь охлаждающий эффект является просто испарительным. Это составило бы 77 или 67 мегалитров в день соответственно для станции мощностью 1000 МВт, если бы все охлаждение было только испарительным. На практике около 60-75% испаряется, в зависимости от атмосферных факторов. Другие расчетные цифры для более высокой эффективности: для сверхсверхкритического парового цикла (USC) с использованием градирни потребуется около 1.Произведено 5-1,7 л / кВтч; Современная ПГУ составляет около 0,9-1,1 л / кВтч. [Назад]

ч. В отчете Министерства энергетики за 2006 год, который подвергается критике ниже, указано типичное значение 2,9 л / кВтч. Другие источники в США указывают 1,5 л / кВтч для прямоточного охлаждения и 2,7 или 3,0 л / кВтч для испарительных градирен (, например, NEI 2009, примечание 11; NEI 2012). [Назад]

и. На основе 50% от общего объема производства 261 ТВт-ч при расходе воды 2,25 л / кВт-ч (60% электроэнергии вырабатывается из угля, в основном с использованием испарительного охлаждения).Более авторитетная, но более ранняя оценка оценивает общие потери от испарения для внутренних электростанций на уровне 225 GL / год (Hunwick 2008). Мельбурн использует около 440 GL в год. [Назад]

Дж. Около 0,18–0,25 л / кВтч на заводе Коган-Крик в Квинсленде, включая небольшое дополнительное количество влажного охлаждения, и 0,15 л / кВтч на заводе Миллмерран. [Назад]

к. 48 вентиляторов на Коган-Крик диаметром 9 метров каждый. [Назад]

л. В Австралии на угольных электростанциях Коган-Крик (750 МВт в сверхкритическом состоянии) и Милмерране (в сверхкритическом состоянии 840 МВт) используется сухое охлаждение с ACC, как и на электростанциях Матимба и Маджуба в Южной Африке.Новый завод Medupi будет использовать его и станет крупнейшей в мире станцией с сухим охлаждением (4800 МВт). Кендал в Южной Африке использует систему непрямого сухого охлаждения. Судя по всему, сухое охлаждение также используется в Иране и Европе. Южноафриканский опыт оценивает стоимость ACC примерно на 50% больше, чем рециркуляционное влажное охлаждение и непрямое сухое охлаждение, на 70–150% больше. [Назад]

г. В них используется вода в сверхкритическом состоянии с давлением около 25 МПа, температура пара от 500 до 600 ° C и тепловая эффективность 45%. По всему миру работает более 400 таких заводов.Одним из направлений разработки ядерных реакторов поколения IV являются конструкции с водяным охлаждением в сверхкритическом состоянии. На сверхкритических уровнях (30+ МПа) может быть достигнут 50% тепловой КПД.

Сверхкритические флюиды — это флюиды, находящиеся выше термодинамической критической точки, определяемой как самая высокая температура и давление, при которых газовая и жидкая фазы могут сосуществовать в равновесии, как однородная флюид. У них есть свойства между газом и жидкостью. Для воды критическая точка составляет 374 ° C и 22 МПа, что придает ей плотность «пара», составляющую одну треть от плотности жидкости, так что она может приводить в движение турбину так же, как и обычный пар.[Назад]

н. В Великобритании все атомные станции находятся на берегу, и общие потери при передаче в системе составляют 1,5%. [Назад]

Источники

Агентство по окружающей среде Великобритании, 2010 г., Варианты охлаждающей воды для атомных электростанций нового поколения в Великобритании.
EPRI 2002, Вода и устойчивость (том 3): Потребление воды в США для производства электроэнергии — следующие полвека, Технический отчет EPRI
DOE / NETL 2006: Оценка потребностей в пресной воде для удовлетворения будущих потребностей в производстве термоэлектрической энергии, DOE / NETL-2006/1235
DOE / NETL 2008: Оценка потребностей в пресной воде для удовлетворения будущих требований к выработке термоэлектрической энергии, обновление, DOE / NETL-400/2008/1339
DOE / NETL 2009: Требования к воде для существующих и новых технологий термоэлектрических станций, DOE / NETL-402/080108
Использование воды в производстве электроэнергии, отчет Института электроэнергетики 1014026 (февраль 2008 г.)
EPRI 2011, Национальная оценка затрат на модернизацию U.S. Электростанции с замкнутым циклом охлаждения, Технический бюллетень EPRI 1022212; и исследование модернизации замкнутого цикла: оценка капитальных затрат и производственных затрат, Технический отчет EPRI 1022491.
DOE / NETL, август 2010 г., Уязвимость воды для существующих угольных электростанций, отчет 1429. DOE / INL 2010, Проблемы и возможности охлаждающей воды на АЭС США, октябрь 2010 г., INL / EXT-10-2028.
Ханвик, Ричард 2008 г., Австралийские внутренние электростанции: уменьшение их жажды
Международное энергетическое агентство и Агентство по ядерной энергии ОЭСР, Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии, издание 2010 г.,
Международное энергетическое агентство, World Energy Outlook 2015
Международное энергетическое агентство, World Energy Outlook 2016 — глава 9, посвященная воде
Справочник по ядерной инженерии 2010
ESAA, Электричество, газ, Австралия, 2010 г.
МАГАТЭ 2012, Эффективное управление водными ресурсами в реакторах с водяным охлаждением, Серия изданий МАГАТЭ по ядерной энергии No.НП-Т-2.6.
Уильям Скафф, Институт ядерной энергии, водопользование, электроэнергия и ядерная энергия: целостный подход к охране окружающей среды, презентация на Ежегодном форуме Совета по охране грунтовых вод (GWPC) 2009, 14-16 сентября 2009 г.
Информационный бюллетень Института ядерной энергии, водопользования и атомных электростанций (ноябрь 2013 г.)
ThinkClimate & Brown & Pang, Варианты с нулевым выбросом углерода (для электростанции Порт-Огаста), 2012 г.

Возобновляемое охлаждение помещений | Возобновляемое отопление и охлаждение: преимущество тепловой энергии


О космическом охлаждении

Охлаждение помещений представляет собой значительное потребление энергии в зданиях по всей стране.Последние данные показывают, что на охлаждение помещений приходится около 6 процентов энергопотребления в жилых домах США и около 8 процентов энергопотребления в коммерческих зданиях США. 1,2

Домовладельцы тратят примерно 35 миллиардов долларов, или 14 процентов своих общих затрат, связанных с энергией, только на охлаждение помещений, в то время как коммерческие здания тратят более 25 миллиардов долларов или 14 процентов ежегодно. 3 Основным топливом, используемым для охлаждения помещений, как правило, является электричество. В 2010 году охлаждение помещений в жилом секторе произвело примерно 210 миллионов метрических тонн выбросов углекислого газа, а коммерческие здания добавили дополнительно 151 миллион метрических тонн в год. 4

Требования к системам охлаждения зависят от размера помещений, которые необходимо охлаждать, но эти системы, как правило, можно масштабировать, если для их работы достаточно энергии.

Эти проценты основаны на энергии «на месте» или «доставленной» энергии, которая представляет собой общую стоимость энергии в британских тепловых единицах в момент ее поступления в здание.

Источники данных:

Начало страницы

Как работает возобновляемое охлаждение помещений

Простейшая форма возобновляемого охлаждения основана на перекачивании воды из холодного резервуара или охлаждении воды путем прокачки ее по подземным трубам.Другие возобновляемые тепловые технологии могут охлаждать помещения с помощью технологии, называемой абсорбционным охлаждением — типа кондиционирования воздуха, в котором используется химический хладагент для производства холодного воздуха из горячей воды. В обоих случаях возобновляемые источники могут покрыть всю нагрузку, или они могут обеспечить частичное покрытие и сэкономить деньги и энергию в качестве дополнения к традиционным источникам электрической или тепловой энергии.

Распределение охлажденной воды

В этой технологии используется геотермальный тепловой насос, работающий в обратном направлении, чтобы использовать относительно постоянную температуру земли на несколько футов ниже поверхности.Относительно теплая вода или хладагент может циркулировать по подземным трубам, теряя тепло, когда трубы соприкасаются с относительно более холодной землей. Жидкость возвращается при более низкой температуре и может использоваться для охлаждения воды, которая, в свою очередь, может циркулировать по зданию, создавая простую и эффективную систему охлаждения.

Абсорбционное охлаждение

Получение холодного воздуха из горячей воды — старая технология, изобретенная в 1850-х годах. Эта технология основана на процессе испарения.Превращение жидкой воды в водяной пар требует энергии для разрыва связей, удерживающих молекулы воды вместе в жидкой форме.

Охлаждение следует тому же принципу, который позволяет охлаждать человеческое тело потоотделением. Когда вы потеете, молекулы воды в вашем поту поглощают тепло вашего тела, чтобы разорвать связи, удерживающие их в виде жидкости. Вода испаряется, и в результате тепло уходит из вашего тела.

Современные кондиционеры заменяют воду более эффективным хладагентом, а затем повторно используют этот хладагент, а не выбрасывают его в атмосферу.Эта технология, известная как абсорбционное охлаждение, включает четыре основных этапа, как показано на следующей диаграмме:

  1. Испарение : Хладагент поглощает тепло из воздуха в помещении при испарении, оставляя после себя охлажденный воздух или воду.
  2. Поглощение : Пар поглощается другой жидкостью, называемой поглотителем. Этот шаг улучшает скорость и эффективность испарения, предотвращая конденсацию хладагента, которая будет отдавать тепло обратно в систему и противодействовать только что имевшемуся охлаждению.
  3. Разделение : Смесь хладагента и абсорбера нагревается до тех пор, пока хладагент не испарится из жидкости абсорбера. Это наиболее энергоемкий этап всего процесса, и именно он позволяет кондиционерам использовать горячую воду для получения холодного воздуха. Горячая вода для Шага 3 может производиться из возобновляемых источников.
  4. Конденсация : Хладагент прокачивается через конденсатор, который возвращает его в жидкую форму. В процессе конденсации выделяется тепло, и это тепло должно отводиться наружу.Жидкий хладагент возвращается на этап 1.

Начало страницы

Совместимые возобновляемые технологии

Наземные тепловые насосы могут работать в обратном направлении для подачи охлажденной воды для небольших систем охлаждения. В возобновляемых абсорбционных холодильных системах тепловая энергия (тепло), используемая для управления процессом охлаждения, чаще всего вырабатывается концентрирующими солнечными коллекторами, но она также может поступать из любого другого источника тепловой энергии, такого как геотермальная скважина прямого действия или древесная биомасса. печь.Холодильное охлаждение требует более высокого уровня тепла, чем то, что требуется для обогрева помещений или обогрева бассейна, поэтому неглазурованные солнечные коллекторы не подходят для управления этими процессами в одиночку. Вакуумные трубчатые коллекторы часто могут производить воду, достаточно горячую для поддержки холодильной системы охлаждения, если количество коллекторов соответствует размеру системы охлаждения.

Интерактивная диаграмма ниже показывает, какие возобновляемые технологии могут использоваться в бытовых или коммерческих системах охлаждения помещений.Вы можете щелкнуть любую из технологий, чтобы перейти на новую страницу с более подробной информацией.

Возобновляемые технологии и приложения космического охлаждения

Понимание схемы

На приведенной выше диаграмме показаны технологии и приложения для охлаждения помещений с точки зрения приблизительного диапазона «рабочих температур», который представляет собой требуемую температуру жидкого теплоносителя в возобновляемой системе охлаждения. Рабочая температура не обязательно совпадает с конечной температурой конечного продукта (в данном случае нагретого воздуха или воды, которые в конечном итоге доставляются).

На приведенной выше диаграмме показаны приблизительные диапазоны рабочих температур. Точные требования к рабочей температуре для конкретного здания или системы охлаждения будут зависеть от таких факторов, как тип, размер и расположение системы. Рабочая температура, которую может обеспечить конкретная возобновляемая технология, также будет зависеть от факторов, специфичных для объекта. Например, количество тепла, которое может обеспечить система солнечных коллекторов, будет зависеть от того, сколько солнечного света она получает и под каким углом.

Узнайте больше о возобновляемом охлаждении помещений

Ключевые возобновляемые технологии

Начало страницы


1 U.S. Управление энергетической информации. 2012. Исследование потребления энергии в жилищном секторе за 2009 год. Таблица CE3.1. Конечное потребление энергии в домохозяйстве в США, общее и среднее значение, 2009 г. Эти итоговые значения основаны на энергии «на месте» или «доставленной» энергии, которая представляет собой общую стоимость энергии в британских тепловых единицах в момент поступления в здание.
2 Управление энергетической информации США. 2008. Исследование энергопотребления в коммерческих зданиях за 2003 год. Таблица E1A. Основной расход топлива (БТЕ) ​​конечным использованием для всех зданий.Эти итоговые значения основаны на «объекте» или «доставленной» энергии, которая представляет собой общую стоимость энергии в британских тепловых единицах в точке, когда она поступает в здание.
3 Министерство энергетики США. 2011. Книга данных по энергии в зданиях. По состоянию на октябрь 2014 г. Данные о расходах за 2010 г.
4 Министерство энергетики США. 2011. Книга данных по энергии в зданиях. По состоянию на октябрь 2014 г. Данные о выбросах за 2010 г.

Начало страницы

Одновременное производство пресной воды и электроэнергии с помощью многоступенчатой ​​солнечной фотоэлектрической мембранной дистилляции

Структура устройства MSMD

Солнечный элемент собирает коротковолновый солнечный свет для выработки электричества с помощью фотоэлектрического эффекта, что приводит к высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество.Большое количество отработанного тепла одновременно генерируется как побочный эффект при выработке электроэнергии двумя путями. Первый — это релаксация электронов, возбужденных коротковолновым солнечным светом, а второй — фототермическое преобразование длинноволнового солнечного света. Отработанное тепло считается обузой на обычных солнечных электростанциях и напрямую сбрасывается в окружающий воздух как отходы. В нашей конструкции тепло рассматривается как ресурс и аккуратно используется в качестве источника энергии для питания устройства PV-MD для производства чистой воды.

В этой работе коммерческий поликристаллический кремниевый солнечный элемент от Sharp был использован как в качестве компонента для выработки электроэнергии, так и в качестве фототермического компонента. Изготовленное в лаборатории устройство MSMD было построено на задней стороне солнечного элемента для производства чистой воды (рис. 1а и дополнительный рис. 1). Чтобы уменьшить потери тепла в окружающую среду, стороны устройства PV-MD были герметизированы пенополиуретаном (ПУ) с низкой теплопроводностью (0,022 ~ 0,033 Вт · м −1 K −1 ) 33 .

Рис. 1

Схематическое изображение интегрированных фотоэлектрических мембранных дистилляторов (PV-MD). Работайте в тупиковом режиме и (в этом режиме исходная вода попадает в слой испарения в направлении красной стрелки, а конденсированная вода вытекает из слоя конденсации в направлении зеленой стрелки) и b Поперечный режим (в этом режиме исходная вода течет в слой испарения в направлении красной стрелки, а конденсированная вода вытекает из слоя конденсации в направлении зеленой стрелки)

Каждая ступень Устройство MSMD состояло из четырех отдельных слоев: верхнего слоя теплопроводности, гидрофильного пористого слоя из слоя испарения воды, гидрофобного пористого слоя MD-мембраны для проницаемости пара и слоя конденсации водяного пара.Пластина из нитрида алюминия (AlN) использовалась в качестве теплопроводящего слоя из-за ее чрезвычайно высокой теплопроводности (> 160 Вт · м −1 K −1 ) и ее антикоррозионных свойств в соленой воде 34 . Гидрофобный пористый слой изготовлен из электропряденой пористой полистирольной (ПС) мембраны. Слой испарения воды и слой конденсации были из одного и того же материала — коммерческой мембраны из гидрофильного кварцевого волокна (QGF) со структурой нетканого материала.

На каждом этапе устройства MSMD (дополнительный рис.2), тепло передается через слой теплопроводности к нижележащему гидрофильному пористому слою. Таким образом, исходная вода внутри гидрофильного пористого слоя нагревается с образованием водяного пара. Водяной пар проходит через слой гидрофобной пористой мембраны и в конечном итоге конденсируется на слое конденсации с образованием жидкой чистой воды. Движущей силой испарения воды и конденсации пара является перепад давления пара, вызванный градиентом температуры между слоями испарения и конденсации.На каждой стадии скрытая теплота водяного пара, которая выделяется в процессе конденсации, используется в качестве источника тепла для испарения воды на следующей стадии. Многоступенчатая конструкция обеспечивает возможность многократного повторного использования тепла для управления несколькими циклами испарения-конденсации воды. В традиционных солнечных установках тепло, выделяемое солнечным светом за счет фототермического эффекта, запускает только один цикл испарения-конденсации воды, который устанавливает верхний теоретический потолок скорости производства чистой воды ~ 1.60 кг м 2 ч −1 , при условии одного Солнца в такой системе. Многоступенчатая конструкция позволяет выйти за теоретический предел, что совсем недавно продемонстрировали две группы 27,28 .

В данной работе для устройства МСМД разработаны два режима потока исходной воды — тупиковый и переточный (рис. 1). В тупиковом режиме исходная вода пассивно попадает в испарительный слой полосами гидрофильной кварцево-стекловолоконной мембраны за счет капиллярного эффекта.В этом случае концентрация солей и других нелетучих веществ в испарительном слое продолжает увеличиваться до достижения в конце концов насыщения. Операция промывки необходима для удаления солей, накопленных внутри устройства для этого режима, как сообщалось в предыдущих работах 28 . Однако пассивный поток воды снижает сложность устройства и обеспечивает высокую производительность воды на ранней стадии для этого рабочего режима. В режиме поперечного потока исходная вода поступает в устройство под действием силы тяжести или механического насоса и вытекает из устройства, не достигнув насыщения.В этом случае исходящий поток воды заберет небольшое количество явного тепла, что приведет к небольшому падению производительности по чистой воде на ранней стадии. Однако это решает проблему накопления соли и позволяет избежать частой очистки и удаления солей, что делает устройство пригодным для длительной эксплуатации.

В некоторых экспериментах коммерческий спектрально-селективный поглотитель (SSA) (ETA @ Al, Alanod Solar) использовался для замены фотоэлектрической панели для оценки эффективности производства чистой воды.Этот материал может уменьшить потери тепла на излучение во время работы, потому что он обладает гораздо меньшей излучательной способностью, чем фотоэлектрические панели, и поэтому он был принят в обеих предыдущих работах по перегонке солнечных мембран 28 . Мы используем устройство SSA-MD, чтобы подтвердить, что многоступенчатое устройство MD, которое мы изготовили в этой работе, сопоставимо с современными устройствами для перегонки с солнечной мембраной.

Коэффициент поглощения солнечной энергии SSA и фотоэлектрического элемента

Спектр поглощения солнечного элемента в УФ-видимой-ближней ИК-области был получен и представлен на рис.2. Как видно, солнечный элемент обладает высоким поглощением света (> 92%) в коротковолновом диапазоне (<1000 нм) и немного меньшим поглощением (70–80%) в длинноволновом диапазоне. Поскольку солнечный спектр распределен неравномерно, коэффициент поглощения солнечной энергии (α), который определяется как взвешенная доля между энергией поглощенного излучения и энергией поступающего солнечного излучения, рассчитывается для оценки способности солнечного элемента к улавливанию солнечной энергии по следующему уравнению 35 :

$$ \ alpha = \ frac {{\ mathop {\ smallint} \ nolimits_ {300} ^ {2500} I (\ lambda) A (\ lambda) d \ lambda}} {{\ mathop {\ smallint} \ nolimits_ {300} ^ {2500} I \ left (\ lambda \ right) d \ lambda}} $$

(1)

Где I, (λ) и A, (λ) представляют интенсивность света и поглощение материала на разных длинах волн.Коэффициент поглощения солнечной энергии солнечного элемента, использованного в этой работе, рассчитан равным 0,87, что указывает на то, что 87% солнечной энергии собирается солнечным элементом. Коэффициент теплового излучения солнечного элемента оценивается как 0,930 (дополнительный рисунок 3 и дополнительное примечание 1). Сообщается, что большинство коммерческих солнечных элементов обладают высоким поглощением света и высокой излучательной способностью, поскольку они предназначены для улавливания как можно большего количества солнечного света и максимально быстрого отвода отработанного тепла 36,37 . Для сравнения, коммерческий материал SSA показывает эффективное поглощение (> 95%) в коротковолновой области (<1600 нм) и хорошее отражение в длинноволновой области (> 1600 нм), что является характеристикой материалов типа SSA.Коэффициент поглощения солнечного излучения и коэффициент излучения материала SSA составляют 0,94 и 0,123 соответственно, что аналогично тем, о которых сообщается в литературе 38,39 .

Рис. 2

UV-Vis-NIR спектры солнечного элемента и материала спектрально-селективного поглотителя (SSA). (Стандартный спектр солнечного излучения с воздушной массой 1,5 глобальных (AM 1,5G) показан черной линией.)

Производительность по производству чистой воды и электроэнергии

Производительность по производству чистой воды многоступенчатого устройства SSA-MD, работающего в мертвом состоянии. Конечный режим сначала был оценен на лабораторной установке (рис.3а) с чистой водой в качестве исходной. Средний дебит воды, рассчитанный по наклону кривой изменения массы в установившемся режиме (рис. 3b), составил 2,78 кг м -2 ч -1 для 3-ступенчатой ​​SSA-MD и составил 3,25 кг м −2 ч −1 для 5-ступенчатой ​​SSA-MD (дополнительный рис. 4), что примерно в 5 раз превышает уровень производства пресной воды по сравнению с современными традиционными солнечными станциями. Изготовленное многоступенчатое устройство MD сопоставимо с современными многоступенчатыми устройствами MD 27,28 .

Рис. 3

Оценка производства воды устройством многоступенчатой ​​мембранной дистилляции (MSMD). a Схематическое изображение экспериментальной установки (симулятор солнечной энергии, ② компьютер ③, коллектор чистой воды, фотоэлектрическая энергия / спектрально-селективная абсорбционная мембранная дистилляция (PV-MD / SSA-MD), резервуар с исходной водой, ⑥ электрический баланс) . b Скорости изменения массы собранной воды под одним солнечным облучением (начиная с красной пунктирной линии) и темным (начиная с черной пунктирной линии), и c Скорость производства воды трехступенчатой ​​тупиковой PV -MD / SSA-MD, профиль температуры d , e изменение массы собранной воды и f производительность каждой ступени трехступенчатого тупикового устройства SSA-MD

Когда материал SSA был заменен солнечным элементом в качестве фототермического компонента в 3-ступенчатом устройстве PV-MD, и PV-MD не был подключен к внешней цепи, т.е.е. солнечный элемент использовался просто как фототермический материал, а поглощенная солнечная энергия была преобразована в тепло исключительно без какой-либо выработки электроэнергии, средний расход воды составил 1,96 кг · м −2 час −1 (рис. 3c), что на 29,5% ниже, чем у 3-ступенчатого устройства SSA-MD. Это значительное снижение производства чистой воды для PV-MD может быть связано с несколько более низким уровнем сбора солнечной энергии и гораздо большими потерями радиационного тепла, которые будут обсуждаться позже.

Для SSA-MD с трехступенчатой ​​структурой после достижения установившегося состояния температура проводящего слоя сверху вниз составляла 61.8, 55,1, 47,5 и 38,4 ° C (рис. 3г). Соответствующая разница температур между верхней поверхностью слоя испарения воды и нижней поверхностью слоев конденсации на 1-й, 2-й и 3-й ступенях устройства SSA-MD составляла 6,7 ° C, 7,6 ° C и 9,1 ° C соответственно. Стадия MD, работающая при более высоких температурах, дает более высокую эффективность использования энергии, как сообщается в многочисленных литературных источниках 40,41,42 .

Дебит воды на 1, 2 и 3 ступени 3 ступени SSA-MD составил 1.07, 0,89 и 0,75 кг · м −2 · час −1 соответственно (рис. 3д, е). Дебит воды на 2-й и 3-й ступенях был эквивалентен 83% и 84% для 1-й и 2-й ступеней, соответственно, что указывает на высокий коэффициент рекуперации скрытой теплоты. Следует отметить, что этот результат не означает, что только ~ 83% скрытой теплоты было рециркулировано на следующей стадии МД, а остальная часть была потеряна. Фактически, поскольку устройство было хорошо герметизировано пенополиуретаном по всей боковой поверхности, потери тепла через боковую поверхность незначительны, и, следовательно, тепловой поток на всех этих трех этапах МД практически одинаков.Уменьшение производительности чистой воды в основном связано с более низкой рабочей температурой на 2-й и 3-й ступенях d , что привело к снижению эффективности производства чистой воды.

Далее были исследованы характеристики производства воды трехступенчатым PV-MD путем подключения солнечного элемента к внешней цепи с различным сопротивлением. Когда устройство работало при освещении одним солнцем с чистой водой в качестве источника воды, температура солнечного элемента, на которую незначительно влияет внешнее сопротивление, составила примерно 58 ° C.Поскольку на характеристики солнечного элемента влияет температура его рабочего состояния, J – V-кривая солнечного элемента в рабочем состоянии (58 ° C) была измерена при условии освещения в один солнечный день с одновременным производством чистой воды и электроэнергии (рис. . 4а). Судя по кривой J – V, наибольшая выходная мощность для этого солнечного элемента составила 138 мВт, что было достигнуто при оптимальной нагрузке 1,3 Ом, токе 0,32 А и выходном напряжении 0,43 В. Хотя эффективная рабочая зона Устройство MSMD (4.0 см × 4,0 см) составляла 16 см 2 , эффективная рабочая площадь солнечного элемента составляла всего 11,9 см 2 (дополнительный рис. 5). Расчетная энергоэффективность солнечного элемента в этих условиях составила 11,6%.

Рис. 4

Оценка выработки электроэнергии и воды устройством фотоэлектрической мембранной дистилляции (PV-MD). — кривая J – V солнечного элемента при одном солнечном освещении ( P max означает максимальную мощность). b Скорость изменения массы собранной воды и скорость производства чистой воды c при различных нагрузках 3-ступенчатого PV-MD с тупиковым режимом; d скорость изменения массы собранной воды, e скорость производства чистой воды и f эффективность выработки электроэнергии при различной интенсивности солнечного излучения трехступенчатого PV-MD с тупиковым режимом

Когда солнечный элемент был подключен к сопротивлению с его оптимальной нагрузкой (1,3 Ом), тот же PV-MD показал дебит воды 1.79 кг м −2 ч −1 (рис. 4б, в), что на 8,7% меньше, чем без выхода электроэнергии. При увеличении сопротивления нагрузки до 3,2 и 6,0 Ом выходная мощность снизилась до 84 и 50 мВт при увеличении выходного напряжения до 0,52 и 0,53 В соответственно. Дебиты воды составляли 1,82 и 1,88 кг м −2 час −1 для этих двух случаев, соответственно (рис. 4b, c). Эти результаты показывают, что на производительность воды лишь незначительно влияет извлечение электроэнергии из системы, что и ожидается.В целом, устройство показало высокую производительность по чистой воде (> 1,79 кг м -2 ч -1 ), учитывая, что около 11% солнечной энергии было извлечено из устройства PV-MD для производства электроэнергии.

Также были исследованы характеристики производства чистой воды трехступенчатым тупиковым устройством PV-MD при солнечном освещении с различной интенсивностью света, результаты представлены на рис. 4d – f. Средняя производительность воды при 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 и 1,4 солнечного освещения была измерена как 0.92, 1.39, 1.82, 2.31 и 2.65 кг м −2 h −1 соответственно (рис. 4d, e). Взаимосвязь между производительностью чистой воды и интенсивностью солнечного излучения была линейной (дополнительный рис. 6), а эффективность выработки электроэнергии солнечным элементом была стабильной на уровне около 11,1 ~ 11,6% при различном солнечном облучении. Эти результаты демонстрируют, что устройство PV-MD обеспечивает отличное производство чистой воды и стабильную выработку электроэнергии при различной интенсивности солнечного излучения.

Одно из целевых применений PV-MD — выработка электроэнергии и в то же время производство чистой воды из различных источников воды плохого качества, таких как морская вода, солоноватая вода, загрязненные поверхностные и подземные воды. Когда 3,5% водный раствор NaCl использовался в качестве заменителя морской воды, дебит чистой воды составлял 1,77 кг м -2 ч -1 в состоянии разомкнутого цикла и 1,71 кг м -2 ч -1 в состоянии разомкнутого цикла. оптимальное состояние нагрузки (1,3 Ом). Эти два значения ниже, чем зарегистрированные, когда в качестве исходной воды использовалась чистая вода (рис.4), что следует отнести к уменьшению давления насыщенного пара соленой воды 35 . Для устройств, работающих в тупиковом режиме, концентрация соли в исходной воде в испарительном слое будет постепенно увеличиваться во время работы, что приведет к небольшому снижению производительности чистой воды (дополнительный рис. 7). Концентрированная исходная вода внутри устройства может быть отсосана сухой бумагой из устройства за счет капиллярного эффекта. Хотя не вся соль NaCl была удалена таким образом, производительность устройства может быть почти полностью восстановлена ​​в следующем рабочем цикле.На рис. 5а показан объем производства чистой воды тупиковым устройством, измеренный за пять рабочих циклов. В циклах 1, 3 и 5 солнечный элемент не был подключен к внешней цепи, в то время как в циклах 2 и 4 солнечный элемент был подключен к внешней цепи (рис. 5a). Результат ясно демонстрирует, что это устройство может быть восстановлено из состояния накопления соли с полностью восстановленной производительностью. Концентрация Na + в собранной конденсатной воде в каждом цикле всегда была ниже 7 ppm, что составляет всего 0.02% исходной воды и намного ниже стандарта питьевой воды Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) (рис. 5b). В другом эксперименте PV-MD с тупиковым режимом использовался для получения чистой воды из морской воды, загрязненной тяжелыми металлами. Устройство PV-MD показало производительность чистой воды 1,69 кг м -2 ч -1 при освещении одним солнцем (дополнительный рисунок 7). Концентрации ионов в исходной воде и продукте чистой воды были измерены и показаны на рис. 5c.В собранной чистой воде концентрации Na + , Ca 2+ и Mg 2+ снизились до менее 4 частей на миллион, в то время как концентрации Pb 3+ и Cu 2+ снизились до почти нулевой и 0,02 ppm соответственно. Все концентрации ионов ниже стандартов питьевой воды ВОЗ 43 . Эти результаты убедительно указывают на отличные характеристики опреснения с помощью процесса мембранной дистилляции.

Рис. 5

Оценка возможности повторного использования устройства для перегонки с фотоэлектрической мембраной (PV-MD). a Производительность воды в различных циклах в состоянии разомкнутого цикла (синий столбец) и на оптимальной стадии (красный столбец) с помощью устройства трехступенчатой ​​фотоэлектрической мембранной дистилляции (PV-MD) с тупиковым режимом для опреснения соленой воды, b соленость исходной воды и опресненной воды, собираемой в каждом цикле (красная линия — это рекомендации Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по качеству питьевой воды). c Концентрации ионов исходной воды, загрязненной тяжелыми металлами, и опресненной воды, полученной устройством PV-MD

В устройстве PV-MD, работающем в тупиковом режиме, соли из исходной воды будут постоянно накапливаться внутри испарительного слоя в течение работа, как указано выше, что может привести к поломке и повреждению, если кристаллы соли блокируют поры MD-мембраны.Хотя соль может быть удалена из устройства путем частой регенерации, как обсуждалось ранее, это нецелесообразно для длительной эксплуатации и крупномасштабного применения. Поэтому мы дополнительно разработали трехступенчатое устройство PV-MD, которое может работать в поперечном режиме для решения проблемы накопления соли (рис. 1b). В этом устройстве слой потока исходной воды (рециркулирующий слой) был добавлен в нижней части для повторного использования тепла с целью предварительного нагрева исходной воды перед тем, как она попадет в слой испарения.Когда водовыпуск этого трехступенчатого устройства PV-MD с перекрестным потоком был заблокирован, т. Е. Он работал в тупиковом режиме без вытекания воды из устройства, дебит чистой воды составлял 2,09 кг · м. −2 ч −1 (дополнительный рис. 8) с чистой водой в качестве исходной воды, что на 7% выше, чем зарегистрированное на устройстве тупикового типа при тех же условиях (1,96 кг · м −2 ч −1 ) (рис. 1а). Этот результат предполагает, что добавление слоя потока исходной воды внизу для рециркуляции тепла может улучшить производительность чистой воды.

Когда выпускное отверстие для воды трехступенчатого устройства PV-MD с перекрестным потоком было открыто и скорость потока исходной воды регулировалась на уровне 5 г ч -1 , что примерно в два раза превышает производительность воды в тупиковом состоянии дебит чистой воды был незначительно снижен до 1,93 кг м −2 час −1 . Это можно объяснить тем, что некоторое количество явного тепла было унесено выходящим потоком воды на выходе. Когда расход исходной воды был увеличен до 6 и 7 г / ч -1 , производительность чистой воды была дополнительно снижена до 1.83 и 1.76 кг; m −2 h −1 соответственно. Эти результаты показывают, что на скорость производства чистой воды лишь незначительно повлияла скорость потока исходной воды, потому что выходящая вода содержит только небольшое количество явного тепла.

Затем была проведена оценка характеристик опреснения морской воды трехступенчатого устройства PV-MD с поперечным потоком, которые представлены на дополнительном рисунке 8. Расход исходной воды контролировался на уровне 5 г ч -1 до Избегайте постоянного накопления соли внутри устройства, и устройство показало очень стабильную производительность чистой воды, равную 1.65 кг м −2 ч −1 при освещении одним Солнцем в непрерывном 3-дневном испытании. В этом случае непрерывный концентрированный поток исходной воды равномерно вытекал из устройства, поддерживая постоянную концентрацию соли внутри устройства. Концентрация соли в исходной и концентрированной морской воде составляла 3,8 мас.% И 8,7 мас.% Соответственно. Хотя скорость производства чистой воды была немного ниже, когда устройство эксплуатировалось в этих условиях, по сравнению с тупиковым режимом, его долгосрочная стабильность производства чистой воды перевешивает его немного сниженный уровень.Были проведены полевые испытания большого устройства PV-MD, подробности которого можно найти на дополнительном рис. 9 и дополнительном примечании 2.

Процесс испарения | Национальное географическое общество

Испарение происходит, когда жидкое вещество становится газом. Когда вода нагревается, она испаряется. Молекулы движутся и колеблются так быстро, что уходят в атмосферу в виде молекул водяного пара.

Испарение — очень важная часть круговорота воды. Тепло от солнца или солнечная энергия приводит в действие процесс испарения.Он впитывает влагу из почвы в саду, а также из самых больших океанов и озер. Уровень воды будет снижаться, поскольку она подвергается воздействию солнечного тепла.

Хотя уровень озера, бассейна или стакана воды снизится из-за испарения, улетевшие молекулы воды не исчезнут. Они остаются в атмосфере, влияя на влажность или количество влаги в воздухе. По этой причине районы с высокими температурами и большими водоемами, такие как тропические острова и болота, обычно очень влажны.Вода испаряется, но остается в воздухе в виде пара.

Когда вода испаряется, она также способствует образованию облаков. Затем облака выделяют влагу в виде дождя или снега. Жидкая вода падает на Землю, ожидая испарения. Цикл начинается заново.

На процесс испарения влияет множество факторов. Если воздух уже забит или насыщен другими веществами, в воздухе не будет достаточно места для быстрого испарения жидкости. При влажности 100 процентов воздух насыщен водой.Вода больше не испаряется.

Давление воздуха также влияет на испарение.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.