Відділ освіти Ярмолинецької районної державної адміністрації

Методичний кабінет

Факультатив з фізики „Основи енергозбереження”

10-11 класи Програма, задачі та методичні матеріали

Ярмолинці 2009

2

Автори-упорядники: П.А. Добрянський - вчитель фізики Соколівської ЗОШ І-ІІІ ступенів. В.С. Мазур - вчитель фізики Ярмолинецького технологічного ліцею.

Рецензенти

В.В. Гудзь – завідуючий сектором природознавства Хмельницького обласного інституту

післядипломної педагогічної освіти.

А.Р. Козак – вчитель-методист Ярмолинецького технологічного ліцею.

До посібника включено програми факультативних занять в 10-11 класах з

актуальної теми сьогодення «Енергозбереження», методичні вказівки та розробки окремих важливих питань з цієї теми. Курс факультативу поглиблює окремі важливі питання з основ енергозбереження та реалізації захисту для зниження енергоспоживання.

Особлива увага приділяється практичним роботам. Теми факультативу незалежні одна від іншої і можуть вивчатися в довільній послідовності.

Розв’язання задач з основ енергозбереження сприяє глибокому засвоєнню матеріалу.

Запропонована програма курсу є орієнтивною. Вчитель може на свій розсуд добирати додаткові теми залежності від їхньої актуальності, змінювати кількість годин.

Рекомендується для використання в загальноосвітніх навчальних закладах. Для керівників шкіл, вчителів фізики та астрономії, працівників рай(міських)

відділів освіти, а також для учнів та студентів педагогічних спеціальностей.

Схвалено на засіданні методичної ради відділу освіти Ярмолинецької райдержадміністрації

(протокол № 3 від 12.03. 2008р.)

Видання друге, перероблені і доповнене. © П.А. Добрянський, В.С. Мазур, 2009

3

Передмова Пропонований посібник присвячений актуальній проблемі для нашої

держави – це енергозбереження, енергоефективність. Відомо, що Україна сьогодні належить до країн з низькою ефективністю використання паливно-енергетичних ресурсів.

У державі вживаються заходи для зниження енергоспоживання, згідно з указом Президента України, створений Держкомітет по енергозбереженню, що розробив заходи щодо реалізації енергозберігаючої політики до 2010 р.

У 1994 році був прийнятий закон “Про енергозбереження”, а в 1996 році розроблена Комплексна програма енергозбереження.

Метою факультативного курсу “Енергозбереження” для 10-11 класів є: поглибити знання учнів з енергетики, які вони здобувають на уроках

природничо-математичних дисциплін: фізики, математики, природознавства, астрономії, біології, хімії, економіки;

формування потреби у дбайливому, господарському використані енергії;

розвиток екологічної та економічної культури, визначення причин енергетичних втрат;

реалізація політехнічних принципів та профорієнтаційної функції факультативу.

Спрямування сучасної освіти в старших класах на профільне навчання робить проблему з енергозбереження надзвичайно актуальною.

Значна частина навчального часу факультативного курсу відводиться на проведення практичних робіт, що сприяє формування умінь, навичок з проблеми ”Енергозбереження”.

Крім методичних рекомендацій по вивченню окремих проблем в посібнику вміщено чимало задач, які розвивають учнів.

Розв’язання задач різного типу сприяє кращому засвоєнню теоретичного матеріалу.

Даний посібник призначений допомогти працівникам освіти, учням та студентам впроваджувати в життя енергозберігаючі технології та подолати енергетичну кризу.

А. Р. Козак, вчитель-методист Ярмолинецького технологічного ліцею.

4

«Програма енергоспоживання і енергозбереження. Я думаю, що ви про неї

вже начулися, мені немає великих проблем говорити про це глибоко, я не думаю, що в цьому с необхідність.

Та кількість енергоресурсів, яку, споживаючи, втрачає Україна, по суті, підрізують українські економічні перспективи. І не тільки економічні - ми споживаємо енергії в 4 рази більше на одиницю валового продукту, ніж інші країни. Ми близько 40 відсотків енергоносіїв втрачаємо у наших системах. Якщо говорити про воду - це від 30 до 40 відсотків, якщо говорити про газ - приблизно 45 відсотків газу ми втрачаємо тому, що він направлений на виробництво комунального тепла. У цих цифрах можна купатися, але проблема одна: нам треба терміново змінити політику енергоспоживання і енергозбереження. Тому створюється Національне агентство по енергозбереженню, яке формулює концепцію програми, котра була обговорена на Раді національної безпеки і оборони. Ми її потім дамо на громадськість, і навколо цієї програми ми повинні об'єднатися, створити національний резерв, прийняти політику лібералізації цін, зробити лічильникове і облікове господарство, перейти па нові носії, по-іншому подивитися на ядерну енергетику в Україні, по-іншому подивитися на вугільну енергетику і т. д. Це радикальні речі, які нація повинна осмислити. І з такою розмовою я і уряд готові йти до громадськості»

Віктор ЮЩЕНКО, Президент України

„Для вивчення методів і заходів з енергоефективного ведення господарства і побуту студентами неенергетичних спеціальностей, учнями шкіл і технікумів доцільно запровадити у закладах освіти курс „Основи енергозбереження” у відповідності до рекомендації Міносвіти та Держкоменергозбереження України”

(Комплексна програма енергозбереження Хмельницької області на 2001-2010 рр.)

5

Навчальна програма факультативного курсу „Основи енергозбереження”.

Пояснювальна записка

Спецкурс „Основи енергозбереження” є міжпредметним. Його мета

інтегрувати та поглибити знання учнів з енергетики, які вони здобули на уроках природничо-математичних дисциплін, формувати розуміння життєвої необхідності бережливого використання енергії, навчати учнів раціонально використовувати енергетичні ресурси, розвивати екологічну та економічну культуру, визначати причини енергетичної кризи впроваджувати в життя енергозберігаючі технології.

Спецкурс містить теоретичний та практичний матеріал, який розширює знання учнів, набуті в процесі вивчення навчального курсу фізики і має з ним тісний тематичний зв'язок.

Програма курсу пропонується як орієнтовна. Залежно від умов, учитель може поглибити розгляд окремих питань або дещо змінити деякі з них, збільшувати кількість практичних робіт, замінювати окремі роботи. Після закінчення курсу, наприкінці навчального року, бажано провести захист завдань творчого характеру (проектно-конструкторських, дослідницьких робіт, саморобних приладів та енергозберігаючих установок). На заняттях доцільно використовувати інноваційні технології, зокрема метод проектів. Як унаочнення можна використовувати матеріали електронного програмного засобу „Основи енергозбереження”.

Програма

10 клас (35 год)

1. Вступ (1 год) Перспективи розвитку енергетики України. Політика енергозбереження та

енергозабезпечення держави. Нормативно-правові та нормативно-методичні документи, що визначають необхідність та порядок розробки програми енергозбереження. Етапи реалізації програми. Регіональні програми енергозбереження.

Учні повинні знати: концепцію розвитку паливно-енергетичного комплексу та

національну енергетичну програму України до 2010 року, Програму Президента України „Десять кроків назустріч людям”, закон України „Про енергозбереження”.

Учні повинні вміти: показати на конкретних прикладах ефективність втілення

Програми енергозбереження;

6

на основі таблиць, де наведенні дані про виробництво електроенергії електростанціями України проаналізувати динаміку виробництва електроенергії.

2. Енергозберігаючі матеріали. (6 год) Основа теорії теплопередавання. Характеристика процесу теплопередавання,

як зміни внутрішньої енергії тіла. Теплообмін теплопровідністю. Конвективний теплообмін. Теплообмін випромінюванням. Коефіцієнт теплопровідності. Ізоляційні конструкції. Теплоізоляція будівель, трубопроводів. Створення матеріалів з наперед заданими тепловими властивостями. Теплоізоляція топок і печей. Вибір високотемпературної ізоляції. Пріоритетні напрямки та заходи із енергозбереження в галузях економіки, теплокомунального, побутового сектора в регіоні.

Практичні роботи: 1. Вивчення процесів теплопередачі та теплообміну. 2. Визначення коефіцієнта лінійного розширення. 3. Вивчення процесів променепоглинання та випромінювання.

Учні повинні знати: фізичний зміст процесу теплопередавання; що називають теплопровідністю; що таке коефіцієнт теплопровідності і від чого він залежить; теплопровідники та теплоізолятори; конвективний та променевий теплообмін; будова ізоляційних конструкцій; теплоізоляція приміщень та трубопроводів; бінарні сполуки неметалів, карбіди деяких металів, металоподібні

сполуки, сплави, їх застосування в енергозберігаючих технологіях. Учні повинні вміти:

обґрунтувати від чого залежить кількість теплоти, яка передається крізь яку-небудь стіну;

виконувати деякі роботи по теплоізоляції будинку, або трубопроводу;

аналізувати вимоги до теплоізоляційних матеріалів. 3. Паливо та його горіння. (4 год)

Основні характеристики палива. Теплота згоряння. Основи процесу горіння. Пальники для котлів. Експлуатація теплових установок, їх ККД. Використання паливно-енергетичних ресурсів та прогноз до 2010 року в регіональних програмах енергозбереження.

Практичні роботи: 1. Визначення ККД теплової установки. 2. Обрахунок теплоти згорання різних сортів твердого палива.

Учні повинні знати: склад палива та продуктів горіння;

7

які стадії горіння палива; типи процесів горіння; що називають теплотою згорання палива; що називають питомою теплотою згорання палива; формулу розрахунку теплоти згорання палива; швидкість горіння; явище горіння, як складний фізико-хімічний процес; енергія, що виділяється при горінні; пальники для котлів; ККД газових котлів та інших паливних установок; які шляхи економії палива під час горіння.

Учні повинні вміти: розрізняти різні види палива; визначати ККД теплових установок; аналізувати енергоефективність теплових установах під час їхньої

експлуатації. 4. Холодильні установи (5 год)

Закони термодинаміки. Фазові стани речовини. Ентропія. Цикл Карно. Базовий холодильник. Аналіз енерговитрат. Холодильний коефіцієнт і коефіцієнт корисної дії холодильної установки. Недоліки експлуатації холодильних систем.

Практичні роботи: 1. Дослідження характеристик домашнього компресійного

холодильника: холодильний коефіцієнт, холодопродуктивність. 2. Визначення зміни температури в приміщенні після вмикання

холодильника при відкритих дверцях. 3. Побудова графіка зміни температури в приміщенні при закритому

холодильнику. Учні повинні знати:

закони термодинаміки; фазові стани речовин; ентропія, як функція стану системи; що таке цикл; з яких процесів складається цикл Карно; що таке холодильний цикл; на чому ґрунтується дія холодильників; які гази використовують як робоче тіло холодильних машин; чому задня стінка працюючого холодильника тепла; внаслідок чого охолоджується випарник; поняття холодильного коефіцієнта; як визначити коефіцієнт корисної дії холодильної установки; чи можна зменшувати енергоспоживання охолоджувальних систем.

8

Учні повинні вміти: визначити холодильний коефіцієнт, холодопродуктивність

холодильника; зменшувати споживання енергії холодильними установками; робити практичну оцінку ефективності холодильної установки; пояснити, чи можна при допомозі зворотного циклу здійснити

роботу, не передаючи теплоту охолоджувачу; пояснити, чи можливо передавати тепло від холодильника до

нагрівача, не виконуючи роботу. визначити ККД циклу.

5. Теплові помпи (3 год) Поглинання теплоти з навколишнього середовища. Теплові насоси.

Зворотній цикл передавання теплоти від джерела з низькою температурою до джерела з більш високою температурою. Цикл Карно та принцип роботи ідеального теплового насосу. Графік процесу.

Коефіцієнт перетворення енергії. Застосування теплових помп. Дійсні коефіцієнти перетворення енергії. Регіональні програми будівництва теплових насосів.

Практичні роботи: 1. Спостереження зміни внутрішньої енергії тіла при виконанні роботи. 2. Спостереження зміни температури задньої стінки працюючого

побутового холодильника. Учні повинні знати:

чому цикл Карно вважають ідеальним; принцип роботи ідеальних теплових насосів; будова теплових насосів; коефіцієнт перетворення енергії теплової помпи;

Учні повинні вміти: накреслити схему роботи теплової помпи; довести, що ККД циклу Карно не залежить від властивостей

робочого тіла; спостерігати зміну внутрішньої енергії тіла при виконанні

роботи.

6. Система виробництва та використання пари (6 год) Пара насичена і ненасичена. Питома теплота пароутворення. Генерація

пари. Типи котлів. Технічні характеристики сучасних котлів (КСВ, модульні котельні установки, системи „Укрінтерм”, котельні водонагрівні котли типу КВН, котли КВ-ТМ, котли типу 34ОСАБ). Жаротрубні котли. Водотрубні котли. Конденсаційні котли. Пальники та засоби спалювання твердого палива. Типи пальників та форсунок. Втрати енергії. ККД котла. Контрольно-вимірювальна апаратура для котлів. Контроль ефективності котла. Збільшення ККД котла.

9

Використання пари, як теплоносія. ТЕС. Парові турбіни. Ізоляція паропроводів. Використання пари низького тиску для споживачів. ТЕЦ. Приклади оптимізації парових систем з точки зору енергозбереження. Джерела втрати тепла.

Практичні роботи: 1. Вимірювання питомої теплоти пароутворення води. 2. Визначення ККД моделі парової турбіни. Учні повинні знати:

поняття «насичена» і «ненасичена пара»; що відбувається з насиченою парою у разі ізотермічного

зменшення (збільшення) її об’єму; що треба зробити для підвищення тиску насиченої пари; що називається питомою теплотою пароутворення; призначення котлів, як обладнання для конвертування хімічної

енергії палива в теплову енергію теплоносіїв; типи котлів; від чого залежить ККД котлів і як збільшити ККД котлів; будова та принцип роботи ТЕС; як здійснити енергозбереження в парових системах.

Учні повинні вміти: визначати питому теплоту пароутворення; знаходити основні джерела теплових втрат; мотивувати, якою контрольно-вимірювальною апаратурою

повинен бути оснащений паровий котел згідно вимог техніки безпеки;

пояснити причини утворення конденсату; обґрунтувати переваги використання пари, як теплоносія; використовувати набуті знання, вміти виконати проект по

енергозбереженню, економії пари; визначити ККД моделі парової турбіни; обґрунтувати доцільність ізоляції паропроводів (труб, вентилів,

фланців) в цілях енергозбереження.

7. Теплові двигуни (5 год) Умови необхідні для роботи теплових двигунів. Різновиди теплових

двигунів. Будова і принципи дії двигуна внутрішнього згорання. ККД двигуна внутрішнього згорання. Робота і потужність теплових двигунів. Діаграма циклу дизельного двигуна. Шляхи підвищення ККД теплових двигунів. Переваги дизельних двигунів.

Дослідницькі роботи по створенні водневого двигуна та електромобілів. Електро-автобуси концерну „Даймлер-Бенц”. Концентрація уваги науковців та інженерів до розробки реалізації проблем енергозбереження, збільшення потужності, надійності, економічності та екології чистоти двигунів.

10

Застосування теплових двигунів. Регіональна програма енергозбереження на транспорті.

Практичні роботи: 1. Спостереження виконання роботи при зміні внутрішньої енергії

робочого тіла. 2. Обчислення зміни внутрішньої енергії тіла при виконанні роботи. 3. Спостереження зміни температури тіла при адіабатному процесі. Учні повинні знати:

яку машину називають тепловим двигуном; чим відрізняється різновиди теплових двигунів; що показує ККД теплових двигунів; при яких умовах відбувається адіабатний процес; яка будова і принцип дії ДВЗ; які способи підвищення ККД теплових машин; як розуміти що теплові процеси є необоротними; як вирішуються проблеми енергозбереження на транспорті.

Учні повинні вміти: спостерігати зміну температури тіла при адіабатному процесі; спостерігати виконання роботи при зміні внутрішньої енергії; проектувати енергозбереження на автомобільному та

залізничному транспорті; обчислювати роботу та потужність теплових двигунів.

8. Енергозаощадження в будинках (5год) Проведення енергетичного обстеження будівлі. Теплові втрати через

зовнішні стіни, покрівлі, покриття горищ, вікна, двері, балкони. Величина коефіцієнту теплопередачі будівельних конструкцій. Величина термічного опору. Розрахунки тепловтрат. Визначення споживання енергії за опалювальний сезон. Конструювання енергоощадних стін. Застосування теплоізоляційних матеріалів: мінераловатні та скловолокнисті, полімерні, піноскло або газоскло. Система опалення. Теплова ізоляція теплопроводів та протикорозійні заходи.

Види нагрівальних приладів (радіатори чавунні та стальні штамповані, ребристі труби, конвектори, бетонні нагрівальні прилади). Енергозбереження в теплопостачанні. Регіональні програми енерговитрат теплокомунальних підприємств.

Практичні роботи: 1. Визначення споживання енергії за опалювальний сезон. 2. Визначення річних теплових витрат в класній кімнаті.

Учні повинні знати: як провести енергетичне обмеження будівлі; особливості теплових витрат в будинках; поняття величини коефіцієнту теплопередачі будівельних

конструкцій; поняття термічний опір;

11

конструювання енергоощадних стін; як зробити теплову ізоляцію труб опалення.

Учні повинні вміти: розраховувати тепловитрати; визначати кількість споживаної енергії за опалювальний сезон; застосовувати теплоізоляційні матеріали з метою

енергозаощадження в будинках.

Програма

11 клас (35 год)

1. Енергозбереження в електропостачальних системах (6 год) Загальна характеристика електропостачальних систем. Втрати енергії в

трансформаторах та їх оптимізація. Розрахунок втрат потужності і енергії. Визначення оптимального завантаження трансформаторів. Втрати потужності й енергії в лініях електропередачі і їх оптимізація. Втрати в лініях ЕПС. Втрати потужності в системі електропостачання цеху. Економічно ефективна густина струму. Реактивна потужність і її вплив на втрати електроенергії. Основні споживачі реактивної потужності. Вплив перетоків реактивної потужності на показники роботи мережі. Заходи зі зменшення реактивного навантаження. Компенсувальні пристрої реактивних навантажень. Вплив якості електроенергії на втрати потужності.

Практичні роботи: 1. Визначення кількості електроенергії що використовується для

освітлення та опалення шкільних приміщень. 2. Вимірювання потужності споживачів електричного струму ватметром. 3. Вимірювання ККД генератора змінного струму. 4. Розрахунок і випробування автоматичного регулятора температури. 5. Дослідження залежності ККД трансформатора від навантаження.

Учні повинні знати: поняття змінний та постійний струм; основні вузли електропостачальної системи; втрати потужності та енергії; активний, індуктивний та ємнісний опір в колах змінного струму; активний та реактивний опір, зсув фаз: густина струму; поняття „реактивна потужність”; заходи зі зменшення реактивних навантажень в колах змінного

струму; як впливає якість електроенергії на втрати потужності.

12

Учні повинні вміти: передбачати заходи на підвищення ефективності використання

електроенергії; розрахувати втрати потужності під час роботи трансформатора в

обмотках та магнітопроводі; визначати ККД роботи трансформатора; виміряти ККД генератора змінного струму; як зменшувати реактивне навантаження в колах змінного струму; пояснити, чому якість електроенергії виливає на втрати

потужності; визначити потужність та роботу електроенергії в

електропостачальних системах.

2. Електричний привід (6 год). Електричні двигуни. Асинхронний двигун. Втрати в електродвигуні.

Синхронні двигуни. Двигуни постійного струму. Шляхи енергозбереження у системах електропривода. Енергоощадні електродвигуни. Елементи електродвигуна з підвищеним ККД. Насосні установки.

Практичні роботи: 1. Зняття зовнішньої характеристики серієсного електродвигуна постійного

струму. 2. Визначення ККД двигуна змінного струму. 3. Дослідження залежності індуктивного та ємнісного опору обмоток

електродвигуна від частоти, індуктивності та ємності. Учні повинні знати:

принцип дії електродвигунів постійного та змінного струмів; які загальні втрати в електроприводах; головні показники електроприводу; що впливає на коефіцієнт потужності (cos φ) електродвигунів; які переваги мають електродвигуни; які бувають двигуни постійного струму в залежності від схеми

приєднання якоря і обмоток збудження; чим характеризуються насосні установки.

Учні повинні вміти:

визначити типи електродвигунів за паспортами; розрахувати потужність електродвигуна за приладами; зменшити споживання електроенергії електродвигуном з метою

підвищення ККД; дотримуватись техніки безпеки при користуванні

електроприводом;

13

мотивувати необхідність використання різних видів електродвигунів з метою енергозбереження.

3. Електричне освітлення (6 год) Поняття світлотехніки і світлових величин. Електричні джерела світла.

Типи електричних ламп. Основні показники електричних джерел світла. Лампи розжарення. Газорозрядні лампи низького тиску (люмінесцентні лампи). Натрієві лампи. Ксенонові лампи. Ртутні лампи високого тиску. Металогалоїдні лампи. Комбіновані ртутні лампи високого тиску з вольфрамовою ниткою. Світловий ККД освітлювального пристрою. Пускорегулювальна апаратура (ПРА). Нормативні рівні освітленості. Вибір ефективних джерел світла.

Енергоощадні типи ламп. Ефективність використання освітлювальних установок. Засоби керування освітленням. Економія електроенергії під час експлуатації освітлювальних систем. Перехід на нові джерела світла. Сучасні побутові джерела світла.

Практичні роботи: 1. Визначення електричної та світлової потужності електричної

лампи розжарювання та обчислення її ККД. 2. Вивчення роботи люмінесцентної лампи. Визначення її ККД.

Дослідити залежність люмінесценції від частоти світла, яке її збуджує.

3. Визначення світлового ККД освітлювальної лампи (натрієвої або ксенонової).

4. Складання схеми фотореле для вмикання та вимикання освітлення вулиць.

Учні повинні знати: кількісні показники освітлення:

сила світла; світловий потік; освітленість; світимість; яскравість; експозиція;

якісні показники освітлення: показник засліплювання; показник дискомфорту; спектральний склад випромінювання; температура кольору; передача кольорів; пульсація світлового потоку; рівномірність освітлення;

одиниці вимірювання світлових величин; типи електричних ламп;

14

енергетичний коефіцієнт корисної дії; ефективний коефіцієнт корисної дії; світлотехнічні показники ламп; характеристика ламп розжарення: вакуумних (тип В),

газонаповнених (тип Г, Б, БК); переваги ламп розжарення; чому кращу світлову ефективність мають галогенні лампи

розжарення; які недоліки ламп розжарення; явище люмінесценції; процес перетворення електричної енергії в світлове

випромінювання у люмінесцентних лампах; які переваги та недоліки люмінесцентних ламп; яке випромінювання використовується в газорозрядних

натрієвих лампах; який електричний розряд використовується в натрієвих лампах

високого тиску; які переваги та недоліки натрієвих ламп; які переваги та недоліки ксенонових ламп; переваги та недоліки ртутних ламп високого тиску; для чого в розрядну трубу металогалоїдних ламп введені

добавки у вигляді галогенідів різних металів; застосування ртутно-вольфрамових ламп; освітлювальні пристрої; застосування пускорегулювального апарату; вимоги до норм освітлення; енергоощадні типи ламп.

Учні повинні вміти:

вибирати енергоощадні типи ламп; економити електроенергію під час експлуатації освітлювальних

систем; визначати світловий ККД освітлювального пристрою; визначати електричну та світлову потужність; експлуатувати люмінесцентні світильники.

4. Поновлювальні джерела енергії (6 год). Основні поняття та класифікація поновлювальних джерел енергії.

Геліоенергетика. Сонячна теплоенергетика. Сонячна фотоенергетика. Вітроенергетика. ВЕС. Біоенергетика. Біомаса. Отримання біогазу. Газифікація біомаси. Спалювання біомаси. Використання біомаси в будівельній промисловості. Геотермальна енергія. Теплові помпи. Енергія морів та океанів. Акумулювання енергії. Комплексне використання поновлювальних джерел і

15

акумулювання енергії. Використання поновлювальних джерел енергії в АПК. Заходи реалізації потенціалів енергозбережень в галузях економіки, бюджетній сфері, побуті.

Мала вітроенергетика. План відновлення непрацюючих малих ГЕС в регіонах. Сонячна енергетика. Будівництво ФЕС. Теплові насоси. ТНС в регіональних програмах. Енергія морів та океанів.

Практичні роботи: 1. Дослідження характеристик сонячної батареї: залежність ЕРС від

освітленості, вольтамперна залежність, внутрішній опір. 2. Визначення енергії зарядженого конденсатора. 3. Складання вітродвигуна та визначення його ККД.

Учні повинні знати: класифікацію поновлювальних джерел енергії; які переваги поновлювальних джерел енергії перед

традиційними; будову та принцип роботи найпростішого сонячного колектора; як використати сонячне тепло для обігріву будинків; явище фотоефекту; роботу фотоелемента; принцип дії світлодіодів, транзисторів, фоторезисторів; яка основна перешкода на шляху розвитку фотоенергетики; будову та принципи роботи сонячної електростанції; що таке енергія вітру; специфічні особливості енергії вітру; чому енергія вітру поновлювана і невичерпна; потужність вітрового потоку; ККД вітрового колеса; основні елементи вітроенергетичних установах; яким регіоном України віддають найбільшу перевагу для

будівництва ВЕС; що розуміють під терміном «біомаса»; як отримати біогаз; як працює індивідуальна біоенергетична установа; удосконалення установок спалювання біомаси з точки зору

впливу на навколишнє середовище; використання біомаси в будівельній промисловості ; що є джерелом геотермальної енергії принципову схему геотермальної електростанції; ГЕС та мала гідроенергетика; які переваги мають малі ГЕС; види енергії морів та океанів; акумулювання енергії при експлуатації енергетичних систем; використання поновлюваних джерел енергії в АПК.

16

Учні повинні вміти: вибирати той чи інший вид поновлюваних джерел енергії,

керуючись можливостями регіону; досліджувати характеристики сонячних батарей; визначати енергію зарядженого конденсатора; використовувати біомасу, як одне з джерел енергії; робити класифікацію вітрового потенціалу місцевості за

характером нерівностей. 5. Екологія енерговикористання (6 год). Вплив викидів на стан атмосфери. Фізичні процеси у зовнішніх шарах

атмосфери. Фотодисоціація. Фотоіонізація. Фотохімічні реакції. Вплив на стан “озонового щита”. Складові хімічних сполук тропосфери. Вплив енергетичного господарства на навколишнє середовище.

Практичні роботи: 1. Виявлення квантів світла. 2. Залежність інтенсивності зовнішнього фотоефекту від речовини,

світлового потоку і частоти світла. 3. Спостереження фотохімічних реакцій при взаємодії світла і речовин.

Учні повинні знати: стан екологічної ситуації на Україні; вплив техногенних викидів на стан атмосфери; поняття про моль та молярну масу; склад сухого повітря атмосфери на висоті рівня моря; що таке фотодисоціація; процес фотоіонізації; значення „озонового щита”; техногенний вплив на стан „озонового щита”; причини забруднення атмосфери; чому змінюється клімат на Землі; які види забруднення води; як економити воду.

Учні повинні вміти: визначити молярну масу та вміст компонентів у молярних

долях; написати формулу процесів йонізації води, азоту, кисню,

атомарного кисню під впливом енергії фотона; пояснити, як відбувається руйнування озонового шару та

утворення озонових дір; аналізувати фізичне та теплове забруднення води;

17

6. Програма енергозбереження регіону (5 год) Характеристика і аналіз соціально-економічного стану регіону. Прогноз

розвитку економіки регіону. Використання паливо-енергетичних ресурсів та прогноз до 2010 року.

Оцінка енергоефективності економіки регіону. Можливий потенціал енергозбереження та його реалізація по районах і містах регіону. Пріоритетні напрямки та перспективні заходи з енергозбереження в галузях економіки, теплокомунального та побутового сектора, бюджетній сфері. Виробництво, впровадження ПЕР і води.

Оцінка потреби тепла на опалення та теплопостачання житлових будинків та громадських будівель. Визначення потреб тепла на опалення, витрати тепла на гаряче водопостачання. Енерговитрати теплокомунальних підприємств та їх основні проблеми. Втрати тепла в теплових мережах. Витрати електроенергії. Оціночна ефективність заходів з енергозбереження.

Практичні роботи: 1. Визначення енергетичного потенціалу регіону. 2. Побудова схеми енергопостачання містечка, вулиці.

Учні повинні знати: стан енергозабезпечення регіону; напрямки використання енергоощадних технологій в регіоні; методику складання програми енергозбереження в регіоні; методику оцінки енергоефективності регіону.

Учні повинні вміти: визначати втрати енергії; визначати потенціали внутрішнього енергозабезпечення регіону.

Теми проектів з курсу „Основи енергозбереження”

1. Електрети – діелектричні аналоги магнітів. 2. Потужність в колі постійного струму. 3. Проблеми електричної лампочки. 4. Охолодження світлом. 5. Напівпровідникові термоелементи і холодильники. 6. Нанотехнології на службі людству. 7. Енергія – основа людського життя. 8. Перспективи використання вітрової енергії. 9. Сонце – невичерпне джерело енергії. 10. Екологічні проблеми використання теплових двигунів.

18

11. Тепла будівля. 12. Розвиток енергетики та екологічні проблеми людства. 13. Антропогенний вплив на гідросферу. 14. Теплові насоси: проблеми і перспективи їх використання. 15. Властивості енергозберігаючих матеріалів. 16. Енергозбереження в Україні. 17. Використання енергії пари. 18. Втрати потужності в лініях електропередач та в трансформаторах. 19. Вітроенергія: недоліки і перспективи. 20. Як зекономити енергію в домашніх умовах?

Рекомендації з енергозбереження на виконання Програми Президента України В. А. Ющенка «Десять кроків назустріч людям»

1. Крок перший — енергозбереження. Налагодити реальний облік та сплачувати витрати енергоносіїв на

споживані енергоресурси. Призначення посадових осіб, які будуть відповідати за раціональне

використання паливно-енергетичних ресурсів, стимулювання персоналу до раціонального використання енергії та води.

2. Енергетичний менеджмент. Основним інструментом підвищення ефективності використання енергії є

енергетичний менеджмент. Енергетичний менеджмент — це система управління, що забезпечує таку експлуатацію будівель та обладнання, при якій використання тільки необхідної кількості енергії, забезпечується оптимальне використання енергоносіїв на опалення та гаряче водопостачання.

Енергоменеджмент починається з призначення на посаду особи, яка відповідає за його впровадження — енергетичного менеджера. Вимоги до енергетичного менеджера: 1) Повинен володіти інженерною освітою в області енергетики. 2) Мати досвід управління робочими групами та проектами. 3) Знати державну політику щодо енергопостачання та енергозбереження.

Організувати факультативні заняття з питань енергозбереження для учнів 10-11 класів, студентів вузів, професійно-технічних закладів.

3. Заходи зі зниження витрат теплової енергії. Оснащення об’єктів ЖКГ та бюджетної сфери приладами обліку

теплової енергії. Це дозволяє знизити витрати тепла на опалення на 15-20% взимку.

19

Застосування подвійних дверей, сезонних вхідних тамбурів, теплових штор з цупкої щільної тканини, теплових завісів з вентильованого теплого повітря.

Для ефективного і значного зменшення витрат тепла через вікна при будівництві й реконструкції приміщень застосовувати метало пластикові вікна з вакуумними склопакетами з товщиною скла вікна 4 мм. При встановленні склопластикових вікон теплові втрати з приміщень зменшуються на 25-35%. Вони мають такий опір теплопередачі як цегляна стіна товщиною 50 см.

Встановлення в системах опалення радіаторних терморегуляторів. Це є найпростіший, найкоротший спосіб економії енергії. Терморегулятори вимірюють температуру повітря в приміщеннях і автоматично регулюють подачу теплоносія на радіатор. Це дає змогу зекономити 20% енергії, що використовується на опалення.

Покриття радіаторів звичайними масляними фарбами (особливо в декілька шарів) знижує тепловіддачу, тому рекомендується фарбувати цинковими білилами або алюмінієвою фарбою.

Використання і експлуатація сучасних електричних систем опалення. Сучасні установки електроопалення базується на конвекторних обігрівачах, кабельних системах підігріву підлоги. У цих системах застосовуються двожильний екранований кабель, що зменшує вплив електромагнітного поля на людей. Електронні термостати, які керують роботою кабелю, встановлюють задану температуру в приміщенні.

Для економної роботи водяних систем опалення рекомендується їх регулярна промивка і очищення від накипу і іржі (1раз в 5 років). Для запобігання накипу в індивідуальних системах оновлення додають Трилон 5. Це дозволяє знизити потребу палива на 10-20% і значно продовжити експлуатаційних період обладнання.

Застосовувати досить ефективні технології: тепловідбивачі для опалювальних радіаторів, тепловідбивачі плівки, для ущільнення віконних та дверних прорізів.

Зменшення втрати тепла може бути досягнуто за умови використання попередньоізольованих труб та відновлення попередньої ізоляції в теплових мережах.

4. Зниження витрат електроенергії. Домогтися рівномірного навантаження по фазах, тобто досягти симетрії

трьохфазного навантаження. Грамотно експлуатувати електродвигуни і трансформатори, обмежити

холості ходи та недовантаження. Для поліпшення природного освітлення кімнат стіни й стелю

рекомендується робити світлою: світло потрапляючи на світлі поверхні, багаторазово відбивається, що посилює освітленість, потрапляючи на темні поверхні, навпаки, поглинається. Чим більше відбивають світла

20

стіни приміщень, тим менше світлової потужності потрібно для освітлення; гладка біла стіна відбиває 80% спрямованого на неї світла; темно-зелена – 15%.

Використання передової освітлювальної техніки (енергозберігаючі лампи, освітлювальні системи), це дозволяє заощаджувати до 60% електроенергії.

На об’єктах бюджетної сфери 50% споживаної електроенергії припадає на освітлення.

Відчутну економію електроенергії, коли використовують лампи розжарення, можуть дати такі заходи: - використання криптонових ламп, які мають світлову віддачу на 10%

вищу ніж у звичайних ламп розжарювання з аргоновим наповненням. - заміна двох ламп меншої потужності на одну трохи більшої

потужності. Освітленість залишається практично незмінною. Наприклад, заміна двох ламп потужністю по 60 Вт на одну потужністю 100 Вт за тієї ж освітленості зменшує споживання електроенергії на 12%.

Використання люмінесцентних ламп, які мають порівняно з лампою розжарення в 4-5 разів більш високу світлову віддачу.

Використання енергозберігаючої побутової техніки з позначкою клас А.

Перспективи розвитку енергетики України. Політика енергозбереження й енергозабезпечення України.

Прогнозні розрахунки інституту проблеми енергозабезпечення НАН

України свідчать, що на період 2005-2010 рр. країні потрібно буде забезпечувати видобуток вугілля по мінімальному варіанту до 130 млн. т умовного палива, нафти -6-7 млн., природного газу -34-36 млн., усіх видів електроенергії -34-35 млн., а всього - 205-208 млн. т умов. п.

Що стосується максимального варіанту, то остання величина визначається 246-247 млн. т. В 2005 році Україна імпортувала близько 150 млн., т умов. палива, а в 2010 році передбачають по мінімальному варіанту 160 млн., т і 210 млн., т умовного палива по максимальному варіанту.

Визначаючи перспективи розвитку електроенергетики України, варто врахувати і тенденції світового розвитку цієї галузі. Розробки Всесвітньої ради з енергетики показали, що до 2010 року очікується подвоєння попиту на електроенергію порівняно з 1990 роком. При цьому прогнозується, що теплові електростанції збільшать споживання вугілля на 2,4%, споживання теплового мазуту зменшиться на 5,1%, а природного газу збільшиться на 1,3%. Практично не зміниться виробництво електроенергії на ТЕС. А на АЕС збільшиться об’єм виробництва енергії на 1,3%.

21

Україна сьогодні належить до країн з низькою ефективністю використання паливно-енергетичних ресурсів. Рівень їх споживання складає 5т умовного палива на людину. Цей показник відповідає показникові промислового розвитку країн і міг би забезпечити населенню України пристойне життя, в реальності все зовсім інакше. Це обумовлене високим рівнем енергоємності виробництва, недосконалістю структури національної політики, морально і фізично застарілим обладнанням і технологіями. У період, коли зростає тенденція залежності України від імпортних постачань енергоносіїв, українська промисловість не зменшує енергоспоживання, а навіть нарощує його: на одиницю ВВП цей показник удвічі перевищує аналогічні показники в інших країнах.

У державі вживаються заходи для зниження енергоспоживання. Для цих цілей згідно з указом Президента України, створений Держкомітет по енергозбереженню, що розробив заходи щодо реалізації енергозберігаючої політики до 2010 року.

Деякі показники програми енергозбереження в Україні Енергоємність ВВП%

Роки Економія тепло-

енергоресурсів млн. т. умов. п.

Капіталовкладення млрд. грн. Варіант 1 Варіант 2

1995 0 0 100 100 2000 35,9 6,9 101 99 2005 68,7 16,7 81 75 2010 108,8 108,8 64 55

В основу потокових і стратегічних заходів розвитку енергоспоживання має бути рішуча орієнтація на:

поглиблення ринкових перетворень у паливно-енергетичній галузі, диверсифікованість існуючих і пошук альтернативних джерел енергоспоживання з урахуванням кон’юнктури світового ринку.

реконструкція і модернізація існуючих ТЕС. Використання стратегічно довгострокових власних джерел

паливопостачання з великим діапазоном якісних характеристик вугілля і не використовуваних на сьогодні джерел енергії, і в першу чергу відходів мокрого збагачення вугілля.

Предметом постійної уваги повинна бути й атомна енергетика. Необхідно забезпечити введення в дію енергоносіїв АЕС високого ступеня готовності, модернізацію і реконструкцію діючих енергоблоків. АЕС з метою підвищення їхньої надійності і безпеки, провести заходи щодо створення повного циклу виробництва ядерного палива, розширення випуску обладнання для АЕС. Необхідно забезпечити побудову гідроакумулюючих електростанцій та поновлюваних джерел енергії, малої гідро- і теплоенергетики.

Концепція розвитку паливно-енергетичного комплексу України до 2010 року, а також національна енергетична програма (НЕП) України до 2010 року визначають енергетичну політику Держави та її основні пріоритети – це насамперед використання власних енергоресурсів (у першу чергу вугілля,

22

торфу), розвиток нетрадиційних поновлюваних джерел енергії, а також енергозбереження.

Проблеми енергетики

Одержання дешевої і доступної енергії було і залишається одним з актуальних завдань України. Традиційні джерела енергії вичерпуються, до того ж їхнє використання пов’язане з багатьма негативними наслідками і тому вимагає обмежень. Найбільш загальними проблемами енергетики України є такі:

шкідливий вплив ГЕС і ТЕС на навколишнє середовище; велика аварійнонебезпечність, особливо під час експлуатації АЕС.

Теплові електростанції вимагають ремонту і реконструкції. На сьогодні 96% обладнання теплових електростанцій уже відпрацювали свій ресурс, а 73% перевищили граничний. Це при тому, що питома вага електроенергії, виробленої на ТЕС складає близько 48% від загальної кількості виробленої електроенергії. Отже, без відповідних капіталовкладень в основні фонди електроенергетика приречена.

Гідроенергетика. Серйозною проблемою гідроенергетики є різкі коливання навантажень. Світова практика свідчить, що енергосистеми, подібні до української, повинні мати чіткий розподіл блоків на такі, що працюють у базовому і маневреному режимах. До останнього належить, як правило ГАЕС і ГЕС, що заповнюють дефіцит електроенергії в період пікових завантажень. При цьому частка регулюючих джерел повинна складати не менше 30% від загальної потужності енергосистеми. В Україні таких агрегатів недостатньо.

Найбільший внесок в електроенергетику України роблять ГЕС Дніпровського каскаду, але вони практично виробили свій ресурс. Відсутнє запровадження ефективних заходів щодо підтримки ресурсу, що залишився. Необхідна якнайшвидша їх реконструкція.

Енергозберігальні матеріали

Проблема забезпечення народного господарства енергоресурсами має два

аспекти: енергетичний та економічний. Економічний аспект полягає у зменшенні витрат у процесі використання та транспортуванні енергоносіїв. Одним з напрямків вирішення проблем є впровадження енергозберігаючих технологій та розвиток технологій нових ізоляційних матеріалів.

До енергозберігаючих матеріалів відносяться теплоізоляційні матеріали, застосування яких зменшує небажаний теплообмін з навколишнім середовищем будівель, технологічного обладнання, конструкцій, трубопроводів тощо. Ці матеріали створюють опір для теплових потоків, тому вони використовуються для зменшення втрат тепла, а також для запобігання втрат холоду в холодильних камерах.

23

У техніці теплоізоляційними матеріалами називають матеріали пористої будови, які характеризуються малим коефіцієнтом теплопровідності, а в умовах

високих температур мають достатню вогнетривкість.

Теплоізоляційні матеріали працюють у широкому діапазоні температур від десятків градусів нижче нуля до близько 1000ºС вище нуля. Теплова ізоляція широкого вжитку виготовляється з пористих , коміркових чи волокнистих матеріалів. Пористість матеріалів забезпечує їх низьку теплопровідність.

Теплова енергія може передаватись трьома способами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Теплова енергія передається від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

Цей процес називають теплообміном. Теплопровідність – це процес передавання тепла в твердих тілах та

нерухомих рідинах і газах від ділянки з вищою температурою до ділянки з нижчою температурою. Теплопередавання здійснюється у напрямку зниження температури. Кількість тепла, що передається через поверхню площею F за одиницю часу називається тепловим потоком і позначається літерою Q. Кількість тепла, що проходить через одиницю площі поверхні називається густиною теплового потоку – q. На слайді наведена формула для обчислення густини q теплового потоку, теплопровідністю – це рівняння Фур’є. Тут наведені формули розрахунку теплового потоку теплопровідності через різні стінки (пластинки). Використані такі позначення: λ – коефіцієнт теплопровідності (Вт/(м·К)); t1, t2 – температури точок матеріалу, К; L – товщина стінок, м; RT1, RT2, RTU1, RTU2 – тепловий опір відповідно першого та другого шарів плоскої стінки та першого і другого шарів циліндричної стінки, К/Вт; r1 – внутрішній радіус циліндра, м; r2 – зовнішній радіус стінки циліндра, м; r3 – радіус зовнішньої поверхні другого шару, м, Н – висота

24

(довжина) циліндра, м. У більшості випадків теплопровідність матеріалу може бути прийнята

постійною, але треба знати, що коефіцієнт теплопровідності лінійно залежить від температури λ=λ0(1+bt), де λ0 – коефіцієнт теплопровідності при базовій температурі 200С, b – коефіцієнт, t – різниця температури матеріалу і базової температури 200С.

З формул, які наведені на слайді видно, що можливо знайти аналогію між передаванням теплової енергії через стінку і електричної енергії через опір R, якщо різницю температур порівняти з різницею ЕРС та ввести поняття теплового опору. Тоді тепловим опором вважатиметься величина, розрахована діленням товщини стінок на середній коефіцієнт теплопровідності її матеріалу.

Конвективний теплообмін – спосіб передавання теплової енергії між поверхнею твердого тіла і рідким чи газоподібним середовищем.

Кількість теплової енергії, що передається конвенцією розраховується за формулою:

Q= α k F(tcm-tp), де αк – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·0С); F – площа поверхні твердого тіла

(стінки), м2; tcm, tp – відповідна температура стінки і температура рідини (газу), 0С.

Усі об’єкти, що мають температуру від абсолютного нуля, вимірюють теплову енергію. Сумарна кількість енергії випромінювання, яка проходить через поверхню F за одиницю часу називається тепловим потоком. Носіями енергії випромінювання є електромагнітні коливання. У процесі теплообміну розглядають теплове випромінювання довжиною хвиль від 0,4 до 800 мкм. Кількість енергії випромінювання пропорційна четвертому степеню і температури тіла:

Q=FδE(T4n –T4

e), де F – площа поверхні тіла, що випромінює енергію, м2; δ=5,673*10-8 (Вт/м2·к4) – стала Стефана-Больцмана; Е – ступінь чорноти тіла; Тп, Те – відповідно абсолютна температура поверхні чи середня абсолютна температура середовища, К.

Теплопередача. Розв’язок приклада. Порівняймо, відмінність теплових

втрат одного погонного метра І ізольованої і неізольованої мідної труби за таких умов.

- Внутрішній діаметр труби - 10 см.

- Зовнішній діаметр труби - 12 см. - Температура пари всередині

туби - 110 °С. - Температура зовнішнього

25

середовища, де проходить труба - 30°С. - Коефіцієнт теплопровідності труби - λ= 400 Вт/(м К). - Коефіцієнт тепловіддачі від внутрішнього середовища до поверхні труби -

- Коефіцієнт, тепловіддачі від зовнішньої поверхні труби у навколишнє

середовище - Для зменшення втрат використовується теплоізоляція: - товщина - 5 см; - коефіцієнт теплопровідності - Теплові втрати з одного метра труби без ізоляції:

Теплові втрати з одного метра ізольованої труби:

Різниця теплових втрат

З наведеного приклада видно, що після застосування теплоізоляції теплові

втрати зменшились у 3,79 раза.

Теплоізоляційні матеріали.

Вимоги до теплоізоляційних матеріалів: Стійкість до

екстремальних умов та температур у ході тривалого використання.

Фізична міцність матеріалу.

Стійкість до механічних навантажень.

26

Стійкість до проникнення водяної пари та до поглинання. Корозійна стійкість. Стійкість до хімічних сполук. Вага і товщина ізоляції. Стійкість до шкідників та грибків. Аспекти охорони здоров'я та техніки безпеки: шкідливий вплив на здоров'я, що виникає після

встановлення ізоляції (особливо випаровування); вибухонебезпечні та пожежонебезпечні чинники; шкідливість склеювальних та в'яжучих матеріалів; димоутворення під час горіння ізоляції;

Назва ізоляційного матеріалу Діапазон

температур, °С Коефіцієнт

теплопровідності Силікат кальцію -20 -+800 0,06

Піноскло -260 -+430 0,05 Пориста нітрильна гума -40 -+116 0,035 Пористий пінополістирол -180 -+75 0,06 Скловата, мінеральна вата -160 -+230 0,04 Мікропориста ізоляція на основі діоксиду кремнію

-20 -+1050 0,025

Пінофенопласт -185 -+120 0,02 Поліізоциануратний пінопласт -185 -+140 0,023 Пінополіуретан -20 -+100 0,037 Пінополікарбонат (PUR) -185 -+110 0,04 Вермикуліт -260 -+1100 0,04-0,05 Базальтові волокна БСТВ -260 -+700 0,04 Базальтові шнури БТШ -260 -+700 0,055 Теплоізоляційний картон ТК -260 -+700 0,04 Плити базальтові ПЖТЗ -260 -+700 0,046

27

28

Паливо та його горіння

Основні характеристики палива Склад палива.

Паливо, яке подається в топку для спалювання називається робочим. До складу робочого твердого і рідкого палива входять: вуглець (С), водень (Н), кисень (О), азот (N), сірка (S), волога (W), мінеральні домішки – зола (А). Визначивши склад палива за 100%, робочий склад палива визначається наступною формулою:

Cp + Hp + Op + Np + Sp + Wp + Ap = 100% суху масу палива одержують при повному видаленні вологи. Склад сухої

маси: Cs + Hs + Os + Ns + Ss + Fs = 100%

Якщо зі складу робочої маси виключити золу, то залишиться горюча маса палива:

Сr + Hr + Nr + Or + Sr =100% Якщо нагрівати паливо без повітря, з нього виділяється водяна пара та

горючі гази (окис вуглецю, вуглеводи і водень). Цю газоподібну складову палива називають летючими речовинами.

Теплота згорання палива Теплотою згорання називають кількість теплоти, що виділяється при

повному згоранні 1кг твердого, рідкого або 1м3 газоподібного палива. Відрізняють вищу Qв (ВТЗ) та нижчу Qн (НТЗ) теплоту згорання палива. ВТЗ: Кількість теплоти, яка виділяється при згоранні 1кг (1м3) палива при

умові, що волога, яка виділяється з палива та яка утворюється при згоранні водню, знаходиться в продуктах згорання в рідкому стані.

НТЗ: ВТЗ мінус теплоти перетворення, що міститься в парі продуктів згорання, тобто, якщо волога в продуктах згорання знаходиться в пароподібному стані.

В шкільних підручниках вказується, що питома теплота палива згорання палива – це фізична величина що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згоранні палива масою 1кг.

Знаючи питому теплоту згорання q, можна обчислити кількість теплоти Q, яка виділились від згорання будь-якої маси m палива.

Q = qm

Основи процесу горіння Горіння є складним фізико-хімічним процесом в результаті якого

утворюються газоподібні продукти горіння (димові гази) і виділяється теплота. Швидкість горіння визначається кількістю речовини, що вступає до реакції

або що утворюється в процесі за одиницю часу. На швидкість горіння впливає швидкість хімічної реакції окислення, а

також умови підведення окислювача до місця горіння і відведення продуктів згорання та теплоти. Протікання хімічної реакції окислення можливе при

29

зіткненні так званих активних молекул, тобто молекул, які мають енергію достатню для руйнування внутрішніх молекулярних зв’язків, останнє супроводжується виділенням тепла.

Кількість таких молекул тим більша, чим вища температура. Кількість теплоти, що виділяється при хімічній реакції окислення, йде на активацію інших молекул, і чим вища температура, тим більше молекул досягають межі активації.

При температурі, визначеній для кожного палива, яка залежить від стану палива, виникає додаткова кількість теплоти, яка забезпечує подальший процес горіння. Таку температуру називають – температурою займання. Значення температури займання Т1 для різних видів палива наведемо у таблиці.

Температура займання Т1 для різних видів палива

Паливо Тз Паливо Тз Природний газ 530 °С Антрацит 600... 700 °С

Окис вуглецю CO 650 °С Кам'яне вугілля 470...500 °С Водень 580 °С Кокс 700...750 °С

Мазут (пара) 85... 125 °С Буpe вугілля 250...450 °С Мазут (рідкий) 590 °С Дрова 300 °С

Торф 225 °С

Використання палива як джерела енергії ґрунтується на явищі виділення енергії під час з’єднання атомів у молекулу.

Типи процесів горіння: 1. Дифузійне 2. Кінетичне 3. Дифузійно – кінетичне.

Під час горіння виділяється визначена кількість тепла: С + О2 = СО2 + 33,73 МДж на кг вуглецю. 2Н2 + О2 = 2Н2О + 143,10 МДж на кг вуглецю. S + O2 = SO2 + 9,10 МДж на кг вуглецю.

Як бачимо, при спалюванні 1 кг чистого водню виділяється енергії в 4 рази більше ніж при спалювані 1 кг вуглецю. Таким чином, паливо з більш високим

30

вмістом водню має більшу теплоту згорання, але при цьому утворюється більше водяної пари, яка зменшує теплоту згоряння.

Дійсний процес спалювання потребує більшої кількості повітря, чим це визначається хімічною реакцією (остання зветься стехіометричною кількістю).

Наприклад, повне згоряння вуглецю в повітрі досягається при перетворенні всього вуглецю в двоокис вуглецю: С + О2 = СО2. Якщо кисню недостатньо, утворюється монооксид кисню (СО):

2С + 2О2 = 2СО. А при великій недостачі кисню, деяка частина вуглецю в реакцію взагалі не

вступає: 2С + О2 = СО2 + С.

Енергія, що виділяється при перетворенні 1 кг вуглецю в СО, складає всього 10,46 МДж/кг, тобто менше половини енергії, що виділяється при перетворенні вуглецю в двоокис.

Для збереження повного згорання кількість повітря повинна бути більшою, ніж стехіометрична. При цьому надлишок азоту та не з’єднаного кисню збільшують кількість тепла, що виноситься димовими газами. Тому створення ефективних пальників є однією з важливих задач конструкторів.

Втрати енергії, викликаної надлишковим повітрям

Діаграма наводить процеси втрат енергії в топочних газах та графік змін температури для природного газу. Графік показує скільки енергії витрачається з топковими газами при визначеному рівні концентрації двоокису вуглецю (або при відповідному рівні кисню) та температурі топочних газів.

Щоб визначити потрібні температури, треба знайти точку В на кривій двоокису вуглецю, яка відповідає визначеній величині (А). Потім треба провести вертикальну лінію до перетину з лінією температури топочних газів. Від перетину цієї лінії з графіком змін температури (точка С) треба провести горизонтальну лінію до перетину з лінією втрат з топкових газів, щоб визначити приблизне значення втрат (Д).

Втрати енергії з димовими газами.

31

Хімічна реакція горіння залежить від фізичних параметрів, що забезпечують її повноту та ефективність. Після початку реакція проходить з визначеною швидкістю, яка зветься швидкістю полум’я. Для того, щоб полум’я було у визначеній точці простору необхідно в цю точку подавати реагенти з такою швидкістю Wp, з якою розповсюджується полум’я. При неузгодженості цих швидкостей полум’я буде або відриватись від пальника, або проникати в нього.

Положення факелу в залежності від швидкості

горіння і швидкості подачі реагентів.

Пальники для котлів. Котли – найбільш поширена група обладнання в промисловості та в

побутовому секторі. Котли бувають потужністю від декількох кВт до сотень МВт, тому асортимент пальників дуже широкий.

Існують такі пальники: 1. Газові пальники. 2. Нафтові (мазутні) форсунки. 3. Твердопаливні форсунки. Гази легко змішуються з повітрям. В таблиці наведено загальні

характеристики трьох газів, які широко використовуються: метану СН4, пропану С8Н8, бутану С4Н10.

Характеристики газоподібного палива. Характеристика палива метан пропан бутан

Густина в відношенні до повітря 0,59 1,47 2,00 Стан при кімнатних температурах Газ Газ Газ %С 75 82 83 %Н 25 18 17 %S Сліди Сліди Сліди % Зола 0 0 0 ВТЗ (МДЖУкг) 38,0 50,0 49,3 Швидкість полум'я 0,37 0,43 0,43 Вища межа спалаху (% газу в повітрі) 15 8,5 9,5 Нижча межа спалаху (% газу в повітрі) 5 1,9 2,4

32

Характеристики цих газів відрізняються, тому що конструкції пальників розробляються з врахуванням окремих параметрів. Наприклад, відрив полум’я при згорянні природного газу від пальника відбувається значно частіше, ніж при згорянні бутану або пропану, тому перехід на інший вид палива потребує переналагодження або оновлення пальника. Треба врахувати також питання безпеки: метан легше повітря, тому вентиляція повинна розташовуватись високо, бутан та пропан важче повітря, тому ці гази накопичуються внизу, в ямах, канавах і вентиляція повинна бути розміщена внизу.

Стехіометричні рівняння горіння для природного газу, бутану та пропану: Природний газ: СН4 + 2O2 = СO2 + 2H2O. Бутан: С4Н10 + 6,5O2 = 4СO2 + 5H2O. Пропан: С4Н8 + 5O2 = 3СO2 + 4H2O. Конструкція газових пальників для котлів проста. Газ доволі легко

змішується з повітрям і взагалі не потребує складних конструкцій для розпилювання палива. Додаткове обладнання, яке встановлюється на газових пальниках – це різноманітне запобіжне обладнання та в залежності від тиску в магістралях, газовий компресор.

Газові пальники розподіляються на два основних типи: 1. газові пальники з низьким тиском; 2. газові пальники з високим тиском. Згідно цієї класифікації пальники з низьким тиском працюють на газі в

діапазоні від 2,5 до 20 мілібар, а пальники з високим тиском – від 12 до 175 мілібар.

Інжекторний пальник низького тиску

33

Конденсаційні котли. Значне підвищення ККД може бути осягнене, якщо сконденсувати водяну

пару і використати приховане тепло. Котли, які подібним чином використовують енергію водяної нари, називають конденсаційними котлами.

Конденсаційні котли не придатні для спалювання палив які вмішують багато сірки, такі як вугілля і мазут. Охолоджування топкових газів з метою вивільнення прихованого тепла може знизити температуру топкових газів нижче кислотної точки роси і викликати утворення на внутрішніх поверхнях котла сірчаної кислоти, яка мас велику корозійну дію.

В той же час охолоджені продукти згорання природного газу мають слабку корозійну дію, це означає, що в подібній ситуації можливо регенерувати як ентальпію, так і приховану теплоту водяної пари. Максимально можливе збільшення енергії дорівнюється різниці між вищою та нижчою теплотою згорання палива.

Схема типового конденсаційного котла приведена на малюнку. Як правило, теплота топкових газів використовується для попереднього нагріву живильної води, або води, яка безпосередньо повертається в котел. Необхідно, щоб температура води була нижче точки роси водяної пари в топкових газах, при цьому буде забезпечуватись конденсація водяної пари. Температура зворотної чи живильної води повинна бути біля 55°С тому рекуперативні нагрівальні прилади повинні мати більші розміри, ніж при нормальних зворотних температурах.

Схем конденсаційного котли

В пристроях з декількома котлами конденсаційний котел повинен бути

ведучим для забезпечення максимально можливого збільшення ККД. Оскільки автономні котли використовуються не на повну потужність, то, як правило, використання конденсаційних котлів як автономних пристроїв с непрактичним.

Оскільки в конденсаційних котлах безперервно утворюється конденсат, котельні повинні бути забезпечені засобами для його видалення. Навіть для

34

роботи на природному газі зберігається можливість корозії, тому вторинний теплообмінник, як правило, виготовляється з нержавіючої сталі або з алюмінію.

Може бути потрібне встановлення вентиляторів для посилення тяги в димоході з тим, щоб компенсувати послаблення тяги топкових газів при зменшенні їх температури.

При правильному використанні конденсаційні котли можуть працювати при значних ККД, які можуть досягати 95%. Такі котли в даний час виготовляються багатьма фірмами, головним чином, для опалення приміщень в діапазоні потужностей від 20 кВт і до приблизно 1,5 МВт. Вони можуть мати секційну конструкцію або жаротрубне виконання. Холодильні установки

Системи штучного охолодження застосовуються для охолодження та

замороження продуктів, конденсації парів, створення умов холодного зберігання. Розрізняють холодильні і кріогенні установки. Вони відносяться до системи перетворення енергії з загальною назвою термотрансформатори. Призначення цих систем – відведення тепла від теплоджерела з низькою температурою до теплоприймача з вищою температурою. Холодильні системи призначені для охолодження і підтримання низької температури різних об’єктів і технічних систем, які працюють при температурі вищій 120К. Кріогенні установки мають аналогічне призначення, але у системах з температурою нижчою120К. Як правило, вони використовуються для низькотемпературного розділення газових сумішей (повітря, природного газу тощо) та для зріджування газів (кисню, азоту, гелію, водню, метану тощо).

Таким чином типи і розміри систем охолодження дуже різноманітні: це може бути невеликий компресор з двигуном у декілька кВт для підтримання сталої температури, а можеш зустріти у технологічних процесах хімічної промисловості температуру 120К і меншу, що використовують компресори потужністю у декілька МВт.

У різних галузях відсоток споживання електроенергії на охолодження складає: молоко і молочні продукти – 30; виробництва – 2; морозива – 70; переробки м’яса, риби та птиці; пивоваріння – 330; виробництво какао, шоколаду, кондитерських виробів – 20; холодне зберігання – 90.

У ході аналізу використання холодильних систем необхідно звертати увагу на енергозатрати (використання електроенергії), екологічні фактори, пов’язані з використанням холодоагентів. Холодоагентами називаються речовини, які мають порівняно низьку температуру кипіння при атмосферному тиску (90,1 МПа). Фріони визнані матеріалами, які мають техногенний вплив на навколишнє середовище: руйнування озонового шару, потенціал глобального потепління.

35

Основи термодинаміки Термодинаміка – наука про взаємозв’язки між тепловими і механічними

явищами.

36

Основними характеристиками стану однорідної системи є температура Т, тиск Р, об’єм V.

Нехай є система, яка складається з газової суміші, що знаходиться в

циліндричній посудині зверху закрита поршнем. На поршень тисне тягар (гиря). Для піднімання вгору необхідно під поршнем створити певний тиск газу, що досягається підведенням тепла Q1. Якщо припинити подавання тепла, то у посудині встановиться певна температура і тиск газу. Якщо від посудини відводити тепло Q2, то тиск газу і температура будуть зменшуватись і тягар опуститься вниз. Таким чином, підведенням і відбором є робота з переміщенням тягаря. Така система є моделлю теплового двигуна.

37

Якщо в цій системі гирю замінити пристроєм, що примусово рухатиме

поршень, то газ, розширюючись, відбиратиме тепло від зовнішнього середовища, а стискаючись, віддаватиме тепло назовні. Така система є моделлю холодильної машини.

Складовими частинами холодильника є компресор, конденсатор, детандер або розширювальний клапан, та випарник.

Базовий холодильник

Складові частини холодильної установки:

а) з детандером; б) з розширювальним клапаном

38

Холодильний коефіцієнт

Коефіцієнт корисної дії холодильної установки

Компоненти та шляхи втрат з холодильної камери

Ефективність роботи холодильних установок

Випарники Типи випарників: - кожухотрубні (для установок великої та середньої продуктивності); - ребристі з повітряним охолодженням.

Проблеми: * неправильне заповнення холодоагентом; * втрата холодоагента; * забруднення внутрішньої поверхні випарника мастилами (контроль за

кількістю мастила у компресорі, видалення мастила з випарника через спускний кран);

* забруднення зовнішньої поверхні; * зменшення продуктивності вентиляторів та помп Проблеми роморожування:

- шар інею; - теплоізолятор; - погіршення циркуляції повітря (рідини).

39

Вплив намерзання інію на стінки випарника на роботу холодильної системи

Заходи: * періодичне розморожування; * обмеження проникнення вологи; * уникнення пониженої температури; * правильне настроювання регулятора температури.

Ефективність роботи холодильних установок

Компресори

Умови керування:

* уникнення недовантажень; * за наявності багатьох комресорів недовантаженим може бути лише один з

них; * використання поршневих компресорів: * правильне настроювання регулятора тиску (температури випаровування Тв

має бути на можливо найвищому рівні); * уникнення зайвої роботи допоміжних пристроїв.

Розширювальні клапани Типи: - термостатні (у повітряних випарниках) - поплавкові (у кожухотрубних випарниках) Несправності: перепускання газу (втрати зростають до 30%) брак холодоагента;

40

несправність регуляторів рівня рідини; затримка рідини; несправність клапана і зменшення його пропускної здатності; наявність рідини у клапані (замерзання, забиття, погіршення роботи

давачів температури).

Рекомендації щодо експлуатації холодильників.

1. Найекономнішим холодильник компресорного типу. Він споживає приблизно вдвічі менше електроенергії ніж абсорбційний.

2. Двокамерні холодильники дозволяють за меншої витрати електроенергії підтримувати низьку температуру в морозильній камері. Тому вони мають переваги перед однокамерними.

3. Чим більший об’єм холодильника, тим більше електроенергії він споживає. Наприклад, у разі заміни агрегату об’ємом 160л на 240л витрати зростуть на 26%.

4. Підтримуйте в холодильнику температуру не нижче 5ºС. Контролюйте її постійно за допомогою термометра. Зміна температури ручним терморегулятором на 1ºС у бік підвищення зменшує споживання на 8%.

5. Порахуйте коефіцієнт робочого часу холодильника, тобто відношення часу роботи агрегату до суми часу роботи і часу простою. Нормальний режим характеризується значенням цієї величини 0,2-0,3. Причому агрегат повинен вмикатися не більше 6 разів на годину.

6. Охолоджуйте продукти перед тим, як помістити їх в холодильник. Охолодження від 40ºС до 25ºС зменшує витрати електроенергії приблизно в 1,7, а з 30ºС до 25ºС в 1,2 рази.

7. По можливості розташовуйте холодильник у холодному приміщені та якнайдалі від обігрівачів, кухонних плит, інших джерел енергії. Підвищення температури від 15ºС до 25ºС збільшує споживання електроенергії в 2,5 рази.

8. Розморожуйте замороженні продукти в холодильнику. Холод, отриманий від розморожених продуктів, сприятиме зменшенню споживання електроенергії.

9. Старайтесь якомога рідше відчиняти двері камер холодильника. Слід брати потрібні продукти за одним разом і уникати дво чи трикратного відкривання дверей. Зменшуючи частоту відкривання дверей можна досягти до 5% економії електроенергії.

10. Використовуйте посуд малої маси і малої теплоємності. 11. Розморожуйте холодильник згідно інструкції. Шар снігової шуби не

повинен перевищувати 0,5см. 12. Тримайте продукти в холодильнику щільно запакованими чи у добре

закритому посуді.

41

13. Підтримуйте конденсатор і компресор в чистоті. Принаймні один раз на рік очищайте їх від пилюки. Пилюка погіршує теплопередачу, що призводить до додаткових витрат електроенергії.

Вивчення характеристик домашнього холодильника

Проект учня Соколівської ЗОШ І-ІІІ ст., Ярмолинецького району. Керівник – вчитель Соколівської ЗОШ І-ІІІ ст. Добрянський Петро Антонович Зміст I. Вступ II. Холодильні машини - машини енергетичні III. Зворотній цикл IV. Будова та принцип роботи домашнього компресійного холодильника V. Дослідження характеристик компресійного холодильника:

1. Визначення холодильного коефіцієнта домашніх холодильників, як показника їхньої економічності. 2. Вивчення холодопродуктивності домашнього компресійного холодильника. 3. Визначення середньої потужності електродвигуна. 4. Зміна температури в приміщенні після вмикання холодильника.

VI. Висновки VII. Література Вступ Побутові холодильники і холодильні камери, спеціальні приміщення для

зберігання овочів та фруктів при зниженій температурі, для заморожування м'яса і риби - все це приклади різноманітних холодильних машин. Авторефрежератори, залізничні вагони - рефрижератори і судна-рефрижератори - це транспортні холодильні машини. Кондиціонери повітря, охолоджуючи повітря кімнати, відбираючи у нього частину внутрішньої енергії і передаючи її назовні приміщення, де температура ще вища, ніж у кімнаті - це також різновид холодильних машин.

Академік, лауреат Нобелівської премії, П.Л. Капіца розробив концентрації високопродуктивних машин, названих детандендарами та турбодетандерами. Це дало змогу вирішити важливу медицинську проблему - тепер кожна лікарня, кожна аптека має рідкий кисень практично в необмеженій кількості. Сьогодні кріохірургія - хірургія холоду - взята на озброєння і нейрохірургами, і гінекологами, і травматологами. А створення штучних катків на стадіонах, заморожування ґрунту при будівництві тунелів і шахт. Великими споживачами штучного холоду є галузі хімічної, газової, нафтопереробної промисловості.

Холодильні машини - енергетичні

Згідно другого закону термодинаміки неможливо створити двигун, який би здійснював роботу на основі теплообміну з середовищем певної температури.

42

Якщо би машина, яка працює при наявності одного нагрітого тіла, була би можлива, то вона могла би здійснювати роботу за рахунок теплоти, одержаної з атмосфери, або з вод світового океану. Дія такого двигуна не суперечила би першому закону термодинаміки, а так як використана ним теплота була би дармовою, а такий двигун, який би міг працювати, не вступаючи в теплообмін з тілами різної температури, називають вічним двигуном другого роду. В зв'язку з цим використовується таке формулювання другого закону: вічний двигун другого роду неможливий.

Вираз "тіло охолоджується" означає, що його внутрішня енергія і температура зменшуються.

Пристрій, в якому внутрішня енергія відбирається у менш нагрітого тіла й передається тілу з вищою температурою називають холодильною машиною.

Науці не відомі факти, щоб холодне тіло само собою нагрівало тіло з більш високою температурою. Відбір і передача внутрішньої енергії від одного, менш нагрітого тіла, до іншого, більш нагрітого тіла, може відбуватись лише за рахунок витрати енергії якимось третім тілом. Оскільки тут спостерігається передача енергії впорядковано (від першого до другого макротіла), то витрата енергії третім тілом є роботою цього тіла.

Холодильні машини є енергетичними, оскільки в них відбувається зміна і перетворення енергії, або за її рахунок виконується робота. Однак, якщо теплова машина виконує роботу, витрачаючи для цього внутрішню енергію палива, то в холодильній машині відбувається протилежні процеси: в холодильній машині внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом. На основі цього й стверджують, що холодильна машина працює за фізичним принципом, який є оберненим до принципу роботи теплового двигуна.

Зворотній цикл

Круговий процес, в якому система одержує від нагрівника кількість теплоти Q1, віддає холодильнику кількість, теплоти Q2 і здійснює роботу A=Q1-Q2 називають прямим циклом. Прямий цикл використовують в теплових двигунах. Щоб система здійснила круговий процес в зворотному напрямі (обернений цикл) необхідно змінити на зворотні процеси теплообміну і роботи з нагрівником і холодильником. Для цього процес розширення повинен відбуватись при більш низьких тисках і температурі, ніж процес стиску. Якщо в прямому циклі система віддавала холодильнику кількість теплоти Q2, то в оберненому циклі система, розширюючись при температурі холодильника, одержувала кількість теплоти Q2 від холодильника. А потім за рахунок зовнішньої роботи треба стиснути систему при більш високих тисках і температурі.

В процесі стиску система віддає більш нагрітому тілу кількість теплоти Q2 взяту від холодильника, плюс кількість теплоти, еквівалентна зовнішній роботі стиску системи, тобто система віддасть нагрівнику кількість теплоти Q1=Q2+A. Таким чином, в результаті зворотного кругового процесу ми передаємо теплоту від холодильника до нагрівника. Цей перехід теплоти компенсується змінами в

43

оточуючих тілах: Робота А перетворюється в теплоту і передається разом з теплотою Q2 більш нагрітому тілу.

Обернений цикл використовують в холодильній техніці для охолодження тіл. Робоча речовина холодильних машин здійснює зворотній цикл і переносить теплоту від холодних тіл до теплих. При цьому втрачається електрична енергія.

Можна використовувати зворотній круговий процес для нагрівання тіл. Відповідні пристрої називають тепловими насосами. Робоча речовина теплового насоса, розширюючись, одержує від зовнішніх тіл, наприклад, від оточуючого повітря, теплоту Q2.

Потім її стискають за рахунок зовнішньої роботи А. При цьому температура

робочої речовини підвищується настільки, що вона може віддати нагрівнику кількість теплоти Q2+A.

Будова та принцип роботи домашнього компресійного холодильника

Охолодження рідин під час їх випаровування покладено в основу роботи холодильників — приладів для створення помірно низьких температур, необхідних здебільшого в побутових умовах (для зберігання продуктів, медикаментів тощо). Широко розповсюджений домашній побутовий холодильник. Як робоче тіло у ньому використовують фреон. Фреоном заповнена система конденсатора і випарника. Компресор, який приводиться в дію електродвигуном, відкачує газоподібний фреон з випарника і нагнітає його в конденсатор. Під час стискання фреон нагрівається. Охолодження до кімнатної температури за підвищеного тиску відбувається в конденсаторі, фреон переходить в рідкий стан. Фреон - 12 CF2CL2 - дифтордихлорметан, він вибухобезпечний, не має запаху і має низьку температуру кипіння (-29,8°С) при атмосферному тиску. Рідкий фреон з конденсатора через капілярну трубку надходить у випарник. Відкачування пари фреону з випарника за допомогою компресора підтримує в ньому знижений тиск. У разі зниженого тиску у випарнику рідкий фреон кипить і випаровується навіть за температури, нижчої від 0ºС. Енергія на випаровування фреону відбирається від стінок випарника,

44

викликаючи їх охолодження. Відкачана пара фреону надходить у кожух компресора, звідки знову в конденсатор і т.д., по замкнутому колу. Найнижча температура, яку можна дістати у випарнику (морозильній камері), визначається значенням тиску пари фреону, оскільки температура кипіння фреону, як і будь-якої іншої рідини, знижується зі зниженням тиску. У разі постійної швидкості надходження рідкого фреону з конденсатора у випарник через капілярну трубку тиск пари фреону у випарнику буде тим нижчий, чим довше працює компресор. Якщо немає потреби добиватись зниження температури у випарнику до гранично можливого значення, то компресор періодично зупиняється шляхом вимкнення електродвигуна.

Компресор вмикається автоматичним

пристроєм, який підтримує в холодильній камері задану температуру.

Дослідження характеристик домашнього

компресійного холодильника. Я досліджував і визначав дуже важливі

характеристики домашнього холодильника: холодопродуктивність та холодильний коефіцієнт. Для цього використав домашні холодильники компресійні, інструкції по їх експлуатації, термометр, поліетиленовий пакет, годинник, стакан. Для дослідження використовувались холодильники та інструкції до них:

1. "Арагац" 2. " Снайге RF - 360 " 3. "Днепр" Як відомо, в конденсаторі холодильника

виділяється кількість теплоти

де А - робота, виконана електродвигуном компресора, Q2 - кількість теплоти, одержаної від середовища, яке оточує випарник.

Економічність холодильника визначається холодильним коефіцієнтом Е, який дорівнює відношенню кількості теплоти Q2, яка передається тілами, що охолоджуються, до роботи яку виконує електродвигун.

Враховуючи попередню формулу, одержуємо

Для циклу, оберненого циклу Карно холодильний коефіцієнт дорівнює

45

Інша практично важлива характеристика холодильної машини її

холодопродуктивність. Холодопродуктивністю називається кількість теплоти Q2, яка відбирається від охолоджених тіл за одиницю часу:

В техніці холодопродуктивність вимірюється в Джоулях за годину

годДж

Експеримент проводився в домашніх умовах. Для вимірювання кількості теплоти Q2, яка «відбирається» від тіла, яке охолоджується, я поміщав у випарник відому кількість води m в поліетиленовому мішечку і вимірював зниження її температури ΔТ за відомий проміжок часу. Очевидно, що Q2 = cmΔТ, де С - питома теплоємність води, а ΔТ - зниження її температури.

Роботу, здійснену електродвигуном за певний час я знаходив за відомою потужністю і зафіксованому часу його роботи:

A = Nt Оскільки компресійні холодильники періодично вмикаються і вимикаються

при допомозі реле, в розрахунках потрібно користуватись значенням середньої "спожитої" потужності. Наприклад, якщо електродвигун потужністю 150 Вт працював 5 хв. і 10 хв. був вимкнений, то середня потужність

Роботу виконував за згодою батьків і в їх присутності. Для зручності завдання

приурочимо до "планового" розморожування холодильника. Який порядок виконання роботи?

Спочатку вимикаю холодильник, ставлю ручку терморегулятора в положення "Вимкнено", звільняю камеру і випарник від продуктів і "льодової глиби". Після розморожування холодильник вмикаю, поставивши ручку терморегулятора на першу поділку. Дослід починаю, коли встановиться нормальний режим роботи холодильника, тобто через 20-25 хвилин ( після чотирьох - п'яти автоматичних вмикань та вимикань електродвигуна ). За цей час наливаю в поліетиленовий мішечок 300 г води, вимірюю її початкову температуру T1, тісно зав'язую мішечок, і дочекавшись чергового увімкнення електродвигуна швидко ставлю мішечок з водою у випарник, закриваю дверку холодильника. Одночасно фіксую час t1 початку роботи електродвигуна. Потім відмічаю час вимкнення агрегату t2 і час його повторного ввімкнення t3. Вийнявши мішечок з випарника, легенько збовтую воду для розчинення утворених на дні кристалів льоду і вимірюю температуру Т2.

Знаючи потужність холодильника N з паспорта, час роботи електродвигуна t3 - t1 і час t3 - t2, протягом якого він був вимкнений, визначаю середню потужність:

46

Результати вимірювань та обчислень я заніс в таблицю.

Очевидно, що чим вищий холодильний коефіцієнт, тим економічніша

холодильна машина, найбільший холодильний коефіцієнт має холодильник "Снайге RF - 360".

Зміна температури в приміщенні після вмикання холодильника

Температура оточуючого середовища 16 градусів. Абсолютна вологість близька 70% .Якщо дверці холодильника відкриті; то тепло відбирається від навколишнього повітря і передається конденсатором тому самому повітрі в кімнаті. Повітря одержує також кількість теплоти, еквівалентну виконаній роботі і також кількість теплоти, яка виділяється в підвідних провідниках і в обмотці електродвигуна. Тому при відкритих дверцях холодильника температура в кімнаті спочатку підвищується доти, поки кількість теплоти, яка надходить в кімнату, не зрівняється з кількістю теплоти, яка передається з кімнати на вулицю. Терморегулятор при цьому не працює.

47

Якщо холодильник закритий, то температура всередині холодильника буде знижуватись. Поставимо термометр в холодильну камеру, і будемо вимірювати температуру через рівні інтервали часу.

Зміна температури в приміщенні при закритому холодильнику Температура в

кімнаті підвищується дещо швидше, ніж у випадку відкритого холодильника , оскільки тепер теплота відбирається не від повітря в кімнаті, а від повітря, яке знаходиться в обмеженому об'ємі холодильної шафи, і передається повітрю в кімнаті. Температура в кімнаті залежить від інтенсивності теплообміну між кімнатами і вулицею, і від тієї температури всередині холодильника, при якій спрацьовує терморегулятор. Температура буде змінюватись скачками, то збільшуватись, то зменшуватись.

Температура в приміщенні стала вищою 18,5ºС і досягла 19,5ºС Зміна

температури холодильної камери при вимкненому холодильнику (холодильник закритий)

48

Висновок

Ці характеристики можна використати для створення економічних високопродуктивних холодильних машин.

Оскільки в холодильних машинах відбувається перенесення тепла в напрямі протилежному їх довільному переходу, то їх ще називають тепловими насосами. Перевагою такого методу одержання тепла є те, що в цьому випадку виділяється кількість тепла, від холодного тіла, яким може бути атмосферне повітря, або вода океанів та річок. Звичайно, що таким способом можна використовувати холодильні машини для одержання тепла для опалювання приміщень.

Оскільки холодильні машини — енергетичні, то це питання вимагає додаткового вивчення та дослідження в контексті проблеми енергозберігаючих технологій.

Теплові помпи.

У шкільному курсі фізики в розділі «Термодинаміка» розглядаються

загальні поняття, зокрема принципу дії теплових двигунів, деякі теплові машини, застосування теплових машин і проблеми екології. Але розгляд цього матеріалу втрачає практичну значущість, якщо не розв'язувати задачі, які переконливо доводять важливість і перспективність упровадження на практиці теоретичного матеріалу. Особливо в наш час, коли проблеми економії енергоресурсів, енергозбереження є актуальними. Крім того, питання використання теплових насосів для опалення житлових будинків та у промисловості можуть стати темами для науково-дослідницьких учнівських робіт, учнівських наукових проектів.

Принципова схема холодильної машини являє собою оборотну схему теплової машини. У тепловій машині робочому тілу передається деяка кількість теплоти Q1 від нагрівника — резервуара зі сталою температурою Т1 Внаслідок процесів, що відбуваються з робочим тілом, певна частина цієї теплоти перетворюється на роботу, а решта теплоти передається холодильнику — резервуару з меншою температурою Т2 ККД теплової машини:

49

Якщо теплова машина працює в оборотному режимі, тобто за циклом

Карно, то, відповідно до другого закону термодинаміки, її ККД залежить тільки від температур нагрівника і холодильника:

У холодильній машині всі процеси відбуваються у зворотному напрямку. За

рахунок виконання механічної роботи деяка кількість теплоти Q2 переходить від холодильника з нижчою температурою Т2.

При цьому нагрівнику з вищою температурою Т1, передається кількість теплоти Q1:

На принципі роботи холодильної машини базується ідея реалізації

динамічного опалення (теплового насосу). Якщо є джерело енергії, за допомогою якого можна виконати роботу А, то

при безпосередньому опаленні кількість теплоти Q, що витрачається на обігрівання, рівна цій роботі (в електронагрівних приладах уся споживана електроенергія перетворюється на теплоту, паливо безпосередньо згорає для одержання теплоти). Якщо ж цю роботу використати для приведення в дію холодильної машини, то теплота, яку віддає нагрівнику (опалюваному приміщенню) холодильна машина Q1, буде більша, ніж виконана робота (Q1=A + Q2).

Припустимо, що температура опалюваного приміщення Т1, температура навколишнього середовища Т2, причому Т2 < Т1 тоді:

і для Q1.

У випадку динамічної системи опалення роботу А виконує теплова машина,

температура нагрівника якої Т. Нагрівник одержує теплоту за рахунок спалювання палива Q. Нехай температура нагрівника теплової машини Т більша, ніж температура опалюваного приміщення Т1, (Т > Т1,). А от як холодильник теплової машини можна використовувати або навколишнє середовище (воно буде холодильником і для холодильної машини), або саме опалюване приміщення. В першому випадку температура холодильника буде Т2 (навколишнє середовище), в другому — Т1, (опалюване приміщення). Схематично ці два випадки можна зобразити у вигляді схем 1 та 2:

50

У першому випадку для теплової машини теплота, віддана холодильнику Q,

буде витрачена в навколишнє середовище. І опалюване приміщення одержує теплоту тільки від холодильної машини. Ця теплота дорівнює:

де η1, — ККД теплової машини, ηх1 — ККД холодильної машини.

Тоді кількість теплоти, одержана опалюваним приміщенням:

У другому випадку (коли холодильником теплової машини є опалюване

приміщення):

51

де η2 — ККД теплової машини.

Опалюване приміщення одержує теплоту як від теплової машини, так і від холодильної машини. Теплота, одержана від холодильної машини:

де η2 — ККД холодильної машини.

Теплоту, одержану опалюваним приміщенням від теплової машини Q', знайдемо із виразу для ККД:

звідки

Повна кількість теплоти, одержана опалюваним приміщенням:

Отже, з порівняння (1) і (2) зрозуміло, що обидва способи динамічного

опалення дають однаковий результат. Якщо в першому випадку ККД теплової машини вищий, але опалюване приміщення не одержує теплоти від неї, то в другому випадку при меншому ККД теплової машини опалюване приміщення одержує від неї теплоту Q'. А кінцевий результат однаковий. Суттєво, що при розгляді всіх процесів і в тепловій, і в холодильній машинах ми вважали їх оборотними! Оскільки на практиці всі реальні машини більшою чи меншою мірою є необоротними, то вигіднішим є другий спосіб.

Для застосування викладеного матеріалу до розв'язання задач розглянемо такі приклади.

Задача 1. Яку потужність повинен мати двигун морозильника, що працює за циклом

Карно, в камері якого підтримується температура t2 = -23°С, якщо в неї через стінки за час t = 1 год надходить кількість теплоти 0,1 МДж? Температура радіатора морозильника t1 = 57 °С, а ККД двигуна 0,8.

52

Аналіз умови задачі Двигун морозильника працює за циклом Карно (випадок ідеальної теплової

машини, що працює в оборотному режимі). Нагрівником служить радіатор, температура якого T1, = 330 К, холодильником — морозильна камера Т2 = 250 К (схема 3).

Якщо споживана потужність двигуна Р, а ККД дорівнює η, то за час t він виконає роботу

(Це корисна робота двигуна, що приводить у дію холодильну машину.) Для

холодильної машини:

з іншого боку:

Отже:

Q2 — це теплота, яку потрібно відібрати від морозильної камери. (За

умовою за час t = 1 год до морозильної камери надходить кількість теплоти Q2 = 0,1 МДж.) Враховуючи значення А = Рtη, одержимо:

Звідки:

53

Задача 2. Для обігрівання приміщення використовується теплота, яка віддається

повітрю під час роботи теплового двигуна. Цей двигун приводить у дію холодильну машину, яка забирає теплоту від ґрунтових вод і віддає її повітрю в кімнаті. Визначити теоретичний ККД такого циклу опалення, якщо температура в котлі теплового двигуна t = 210 °С. Температура батареї опалення t1 = 60°С, температура ґрунтових вод t2 = 10°С.

Аналіз умови задачі У даному випадку система опалення працює так, як розглянуто в

теоретичних викладках за схемою 2. Як було показано, сумарна кількість теплоти, одержана приміщенням,

згідно з формулою (1) або (2) дорівнюватиме:

ККД системи опалення:

отже, одержимо:

де Т— температура в котлі; T1, — температура батареї опалення; Т2 — температура ґрунтових вод.

Отже, враховуючи числові значення Т, Т1, Т2, одержимо:

η = 2,76 (276 %).

Але це теоретично максимально можливий ККД.

54

Принцип роботи геотермального теплового насосу.

Більшості населення України поки малознайоме поняття "тепловий насос", але ми постійно їх використовуємо. Теплові насоси працюють у звичних холодильниках і кондиціонерах.

Холодильники та кондиціонери стали настільки надійними, зручними та звичними, що ми навіть не звертаємо увагу на їх роботу.

Таким саме звичним, як для нас кондиціонери, для наприклад швейцарців, є опалення будинків геотермальними тепловими насосами. Геотермальний тепловий насос за принципом роботи схожий на звичайний кондиціонер реверсивного типу (здатні опалювати і охолоджувати), але має розширені функції. Геотермальний тепловий насос, на відміну від кондиціонерів, адаптований для роботи при будь-яких погодних умовах і мінусових температурах. Головна проблема кондиціонерів - зменшення ефективності та зупинка кондиціонерів при мінусових температурах, коли опалення особливо потрібно - вирішена у геотермальних теплових насосах.

Теплові насоси не являють собою якихось чарівних пристроїв, діяльність яких розуміють тільки продавці та установники теплових насосів. Тепловий насос слід розглядати як будь-який інший опалювальний пристрій, що використовується для виробництва тепла, і у відношенні якого діють усі закони, що стосуються енергії. Як і в кожного способу опалення, також і в теплового насосу є свої особливості, переваги та недоліки. Теплотехнічні розрахунки у всіх способів отримання тепла однакові. Правила термодинаміки діють як при дров`яному пічному опаленні, так і при керованій через Інтернет геотермальній кліматичній установці.

Технічні подробиці роботи теплових насосів

Принцип роботи теплового насосу відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. у його дисертації, та загальновідомий з шкільного курсу фізики. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 р. під назвою „помножувач тепла”. Принципова схема зображена на малюнку

Відповідно до зображеного принципу дії, тепловий насос бере теплову

енергію з одного міста, переносить (перекачує) її, та віддає у інше місце.

55

Наприклад, у звичайному холодильнику тепло відбирається морозильною камерою з холодильника та викидається у кухню, при цьому задня поверхня холодильника стає гарячою.

У реверсивних кондиціонерів, працюючих на опалення, розташований ззовні будинку блок відбирає тепло з повітря та віддає внутрішньому блоку в будинок. Але, при температурах повітря біля плюс п`яти градусів Цельсія, зовнішній блок починає вкриватись ожеледдю та льодовою кригою з конденсату повітря, що зменшує ефективність теплопередачі. Для видалення льоду кондиціонер починає періодично опалювати зовнішній блок електроенергією, при цьому потужність опалення падає, витрати електроенергії зростають. При подальшому зниженні температури ефективність опалення на кондиціонерах стає близькою нулю, кондиціонер зупиняється.

При опаленні геотермальними теплонасосами, попросту кажучи, зовнішній блок закопується у ґрунт або занурюється у водойму поряд з будинком. При цьому, незалежно від температури повітря на подвір`ї, зовнішній блок залишається вільним від льоду, ефективність теплопередачі залишається високою.

Принцип дії опалення геотермальними теплонасосами ґрунтується на зборі

тепла з ґрунту або води, і передачі зібраного тепла опаленню будинку. Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті

або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5°С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані

56

тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Можливо відбирати тепло у підземної води - підземна вода з температурою біля 10°С подається зі свердловини до теплонасосу, який охолоджує воду до +1...+2°С, і повертає воду під землю.

При кондиціонуванні геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.

Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету - землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо.

В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес - тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючі функції - гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.

Обмін теплом із навколишнім середовищем геотермальні теплові насоси здійснюють такими основними способами:

- насос з відкритим циклом - з підземного потоку (пливуна) забирається чиста вода, подається до розташованого в будинку теплового насосу, вода віддає/забирає тепло у теплового насосу, і повертається до підземного потоку на відстані від міста забору. Плюсом такого способу є можливість одночасного використання підземної води для водопостачання будинку. Такі системи є дуже ефективними, адже температура підземної води є відносно високою і цілорічно стабільною. Використання підземної води не шкодить ґрунтовим водам, не змінює рівня ґрунтових вод у водному горизонті, оскільки відкриту систему можна розглядати як сполучені посудини, де вода, відібрана з однієї свердловини, повертається на своє місце через другу свердловину. Коректно, у відповідності з нормативами споруджені свердловини забезпечують безпечну для оточуючої природи стабільну роботу системи опалення.

57

- насос з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником -

спеціальна рідина (теплоносій) прокачується по колекторам (трубкам), що знаходяться у водоймі, та віддає/забирає тепло у водойми. Будинки доцільно опалювати енергією відкритої водойми в тому випадку, якщо будинок знаходиться від водойми ближче 100 метрів, і глибина водойми, а також берегова лінія відповідає вимогам, потрібним для облаштування колектору. Плюсом такого способу є відносна дешевизна.

Розподілені на поверхні озера колектори (трубки) перед заповненням

теплоносієм та зануренням їх на дно.

58

- насос з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником, розташованим у ґрунті - трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані горизонтально на глибині не менш одного метра від поверхні ґрунту. Такий теплообмінник зазвичай звуть поверхневим колектором. Головною загрозою є необережність при проведенні землекопних робіт у зоні находження поверхневого колектора. Для сучасного будинку з опалювальною площею в 200м2 під колектор потрібно біля 500м2 поверхні ґрунту. При облаштуванні колектору поблизу дерев трубу колектора не слід укладати ближче, ніж 1,5 метра від крони. Правильно обраний по розмірам і правильно укладений ґрунтовий колектор не впливає на ріст рослин та екологічні умови.

- насос з закритим циклом і вертикальним теплообмінником - трубки, в яких

прокачується теплоносій, розташовані вертикально у ґрунті та спрямовані у глибину землі до 200 метрів (зазвичай 50 - 100 метрів). Такий теплообмінник зазвичай звуть зондом.

Як відомо, на глибині 15-20 м від поверхні земля має стабільну температуру 10-12 градусів Цельсія незалежно від пори року. Із збільшенням глибини температура землі підвищується. Цей спосіб забезпечує найбільш високу

59

ефективність роботи теплонасосу, малі витрати електроенергії та дешеве тепло - 1 кВт електроенергії забезпечує до 5 кВт теплової енергії, але має більші початкові капіталовкладення.

Теплові насоси, що забирають/віддають тепло з землі або води, в Європі

зазвичай звуть "геотермальні теплові насоси", або англійською «geothermal heat pumps» - «GHP». Всі зображені вище способи використовують GHP. В деяких країнах такі теплові насоси мають інші назви. Наприклад у Великобританії до GHP відносять лише насоси з вертикальним теплообмінником, а інші способи звуть "землерозташованими", "ґрунтовими" або "сонячними" теплонасосами. У Західній Україні "теплові насоси" інколи звуть "теплові помпи". Різниця у назвах не змінює суті роботи геотермальних теплових насосів/помп.

Звертаємо увагу на недоцільність застосування в Україні систем опалення на так званих "повітряних теплонасосах", по суті звичайних кондиціонерах, в яких тепло для опалення будинку забирається з навколишнього повітря. Такі системи розроблені та добре працюють у більш південних, ніж Україна, країнах, в яких немає значних морозів - південних штатах США, Греції, Японії тощо. Проблема в тому, що розташований ззовні теплообмінник при температурі повітря біля плюс 5 градусів Цельсія починає вкриватися льодом через замерзаючий конденсат, при цьому різко знижується теплопередача, ефективність теплонасосу зменшується. При подальшому зниженні температури навколишнього повітря ефективність теплонасосу стає наближеною до нуля, повітряний теплонасос переходить на звичайне електроопалення, що значно підвищує витрати електроенергії, або опалення припиняється.

Особливості, на які доцільно звертати увагу при обранні теплонасосу: Загальна вартість системи. Враховуючи, що теплонасоси різних фірм

відрізняються ступінню комплектації та обсягом робіт при встановленні, звертайте увагу на загальну вартість системи з встановленням. Наприклад, деякі виробники не комплектують теплонасоси циркуляційними насосами, які продають окремо. Або вимагають використання теплоносіїв (незамерзаючої рідини) виключно власного виробництва, що значно дорожче альтернативної, тощо.

Кількість компресорів у теплонасосі - один чи два. Теплонасоси з двома компресорами є значно дорожчими, але надійнішими, мають більший

60

моторесурс. Крім того, у разі виходу з ладу одного з компресорів (будь-яка техніка колись виходить з ладу), ви зможете частково опалюватись одним компресором до завершення ремонту.

Один з важливійших показників теплового насосу - його ефективність, або його теплова потужність, електроспоживання та ККД - СОР. У різних моделей і виробників ефективність може відрізнятись у півтори-два рази.

Конструкція зовнішнього колектору. В якості зовнішнього колектору більшість виробників обладнання використовує поліетиленову трубу діаметром 25-40 міліметрів з циркуляцією незамерзаючою рідиною - водним розчином гліколю. Існують також геотермальні теплонасоси з мідною трубою діаметром 6-10 міліметрів і циркуляцією фреону:

- поліетиленова труба в залежності від діаметру мають товщину стінки 2-2,4 міліметри. Так, наприклад, труба діаметром 40 міліметрів мають товщину стінки 2,3-2,4 міліметри. Така товщина забезпечує високу надійність і міцність труби - людина вагою 110 кілограм трубу не стискає;

61

- у якості гликолю зазвичай використовують нетоксичний пропіленгликоль, що застосовується у харчовій промисловості. Неприпустимо використання замість пропіленгликоля этіленгликолю (автомобільний тосол), що дещо дешевший, але ядовитий при потраплянні у навколишню природу або у людину;

- геотермальні теплонасоси з поліетиленовою трубою і водним розчином є конструктивно більш складними, але більш ефективними і надійними, ніж з мідною трубою. Теплонасоси з мідною трубою і фреоном конструктивно простіше, але значна довжина мідної трубки з фреоном під тиском потенційно більш небезпечна. Витік фреону найбільш поширена причина виходу з ладу теплонасосів. Також малий діаметр мідної трубки призводить до значного гідравлічного тиску, потребує збільшених витрат на прокачування. Тому геотермальні теплонасоси великої потужності не виробляються з мідною трубою і фреоном;

В Україні немає належної нормативно-правової бази, що регулює правила встановлення геотермальних теплонасосів. Тому доцільно користуватись вимогами, технологією та рекомендаціями виробників обладнання та нормативно-правовою базою Європейського співтовариства. Вочевидь не всі робітники, що можуть взятись за роботи з встановлення, знайомі з цими вимогами та технологіями. Залучення некваліфікованого персоналу призведе до неякісного встановлення.

Геотермальна кліматична система. Розумний будинок.

Для здорового мікроклімату в будинку в загальному випадку необхідно забезпечити узгоджену роботу приладів:

- опалення, в тому числі незалежно від основного опалювального обладнання нагрів рушникоосушувачів, можливо підлог санвузлів, басейнів, сніготанення стежок, дахів тощо;

- гарячого водопостачання; - охолодження і кондиціонування; - вентиляції, бажано з рекуперацією (поверненням) тепла з видаленого

вентиляцією повітря; - осушення повітря ванних кімнат і басейнів. Геотермальний теплонасос один може замінити усі перераховані прилади. Опалення і гаряче водопостачання Один і той самий тепловий насос може мати різні показники теплової

потужності та ефективності. Теплова ефективність геотермального теплового насосу (його потужність, електроспоживання та ККД - СОР) залежить від двох температур:

- температури незамерзаючої рідини - теплоносія, що надходить з зовнішнього колектору до теплонасосу. Чим вище температура - тим більша потужність, більша ефективність і менше питоме електроспоживання. Наприклад, при температурі теплоносія з зовнішнього контуру 0 градусів потужність теплонасосу буде 24 кВт, а при збільшенні температури з

62

зовнішнього контуру до 5 градусів потужність теплонасосу збільшиться до 28 кВт;

- температури теплоносія системи опалення або гарячого водопостачання. Чим менша температура - тим більша потужність, ефективність та менше електроспоживання. Наприклад, за температури системи опалення 35 градусів (підлогове або стінове опалення) потужність теплонасосу буде 24,5 кВт і електроспоживання 5,5 кВт, ефективність теплонасосу 24,5/5,5=4,5 (так званий СОР). При температурі системи опалення 55 градусів (радіаторне або фенкойлове опалення) потужність теплонасосу буде 22 кВт і електроспоживання 8 кВт, ефективність теплонасосу СОР 22/8=2,8.

Теплонасоси різних моделей і виробників робляться з різних комплектуючих та автоматики, відповідно теплові насоси мають різну ефективність. Різниця в ефективності може бути дуже суттєвою - у півтора-два рази.

Температура теплоносія системи опалення зумовлюється видом опалення. Найменша температура та, відповідно, найбільша ефективність геотермального теплонасосу при підлоговому (панельному) та/або стіновому опаленні. Ці види низькотемпературного опалення найбільш дружні для людини. За дослідженнями FAWA (Feldanalyse von Wаrmepumpen-Anlagen, Аналіз установок теплових насосів, Швейцарія) у 1994-2004 роках 92% новозбудованих будинків, і 53% будинків що реконструюються, встановлюють опалення підлогою.

Сучасні геотермальні теплові насоси серійного виробництва можуть виробляти температуру опалення і гарячого водопостачання до 60 градусів Цельсія. Однак, враховуючи ефективність теплонасосів, а також для уникнення граничних (важких) умов роботи обладнання, температуру опалення і гарячого водопостачання фахівці з монтажу зазвичай обмежують 50 градусами. Це обмеження слід враховувати при проектуванні радіаторів і фенкойлів.

Наприклад, радіатори опалення розраховують і встановлюють таким чином, щоб забезпечити температуру 20 градусів у будинку при температурі на вулиці мінус 25 градусів та температурі теплоносія 50 градусів Цельсія. Якщо температура на вулиці вище, наприклад мінус 5 градусів, теплонасос автоматично знизить температуру теплоносія системи опалення до 40 градусів, температура всередині будинку при цьому залишиться незмінною. Для визначення вуличної температури назовні будинку, з північної сторони, закріплюється датчик теплонасосу. У разі, якщо власник будинку хоче підвищити (знизити) температуру у будинку, наприклад до 23 градусів, йому достатньо повернути регулятор на панелі теплонасосу, що задає співвідношення вуличної температури і температури теплоносія системи опалення. Окрім температури назовні, теплонасос також аналізує температуру теплоносія, що повертається з системи опалення. Наприклад, якщо виглянуло сонце, що почало підігрівати будинок з середини через вікна, а температура назовні залишилась незмінною, теплонасос визначить це по температурі зворотнього теплоносія, та зменшить потужність опалення. Температура всередині будинку в середньому залишиться незмінною.

63

Температура незамерзаючої рідини - теплоносія, що надходить з зовнішнього колектору, змінюється на протязі року. На початку опалювального сезону (початок осені) температура ґрунту або води навколо зовнішнього колектору найбільша, відповідно температура теплоносія максимальна - біля 10 - 15 градусів. Наприкінці лютого, коли теплонасос забрав тепло навколо зовнішнього колектору (окрім відкритого циклу), температура теплоносія може становити від мінус п`яти до плюс п`яти градусів. Середньорічну температуру теплоносія визначають: тип зовнішнього колектору (тепліші - відкриті, водорозташовані та вертикальні зонди); його довжина (довші колектора тепліші, але дорожчі); та охолодження і кондиціонування влітку.

Для зменшення капітальних витрат на геотермальну кліматичну систему, передбачено використовувати „бівалентні” системи опалення. В бівалентній системі тепловий насос встановлюється з потужністю 70% - 90% максимальної зимової потреби, тобто тепловий насос самостійно забезпечує опалення, наприклад, за температури на вулиці до мінус 15 градусів Цельсія, або 350 діб на рік. В особливо зимні дні на допомогу теплонасосу вмикається додаткове джерело тепла опалення, що додає недостатні 10%-30% потужності опалення - зазвичай електронагрівач, іноді малопотужний котел, наприклад. При цьому за рік тепловий насос виробить 92% - 98% тепла, а допоміжне джерело 2% - 8% тепла, необхідного будинку за рік. Загальна ефективність системи при цьому дещо знижується. Бівалентний електронагрівач також використовують з міркувань резервування надійності: у випадку поломки теплонасосу (будь-яка техніка коли-небудь ламається) бівалентний нагрівач підтримує мінімальну температуру в будинку до завершення ремонту.

Опалення та кондиціонування (охолодження) єдиним приладом.

Для зменшення капіталовкладень доцільно використовувати одну універсальну систему для опалення (взимку), та кондиціонування (влітку). Тобто,

64

один пристрій, під’єднаний до одної пари трубопроводів, взимку опалює будинок, а влітку здійснює кондиціонування. При цьому кошти витрачаються на встановлення системи опалення, а можливість охолодження отримується власником безкоштовно.

Існують дві основні технології єдиного приладу для опалення та кондиціонування: фенкойлами (інші назви - "фанкойл", "повітряний доводчик", "вентиляторний конвектор") та теплі (холодні) підлоги і стіни.

Наприклад, використання чотиритрубних фенкойлів (внутрішній блок кондиціонера) для опалення і кондиціонування одним пристроєм офісних і виробничих приміщень, а також частково житла, зараз стає доволі популярним.

У житлових приміщеннях, де шум від працюючих фанкойлів, та протяги холодного повітря, є недоцільними, можливе розповсюдження холоду по будинку через стіни або підлогу.

Охолодження та кондиціонування.

У геотермальних кліматичних системах прийнято відрізняти два режими охолодження - пасивний і активний.

Великим плюсом геотермальної кліматсистеми є можливість прямого використання влітку підземного холоду для охолодження і кондиціонування будинків. Наприклад, в системах з вертикальним зовнішнім колектором (зондом), охолоджений взимку грунт навколо колектору має температуру біля 5 градусів Цельсія. Влітку звичайним насосом теплоносій прокачується по зонду, охолоджується, подається в будинок та розповсюджується по фенкойлам, або полам і стінам, що охолоджують будинок. При цьому компресор теплонасосу не вмикається, електроенергія витрачається лише на прокачування теплоносія. На один кіловат витраченої електроенергії можливо отримати до 50 кіловат холоду, що у 15 разів ефективніше за кондиціонер. Такий режим кондиціонування зветься "вільним" або "пасивним".

Якщо потужності пасивного охолодження будинку, наприклад всередині спекотного дня, стає недостатньо, до процесу охолодження під’єднується компресор теплового насосу. Тобто тепловий насос починає працювати як кондиціонер, охолоджуюча потужність зовнішнього колектора сумується з охолоджуючою потужністю теплового насосу. Потужність охолодження збільшується вдвічі, але збільшуються і питомі витрати електроенергії: на один кіловат витраченої електроенергії можливо отримати до 6 кіловат холоду, що у 2-3 рази ефективніше за кондиціонер. Таке охолодження звуть "активним".

Геотермальна кліматсистема в режимі охолодження забирає тепло з будинку та скидає його через зовнішній колектор у ґрунт. Якщо зовнішній колектор виконаний зондом, тепло акумулюється в ґрунті до початку опалювального сезону. При охолодженні потужність і ефективність геотермальної системи в режимі опалення і підігріву гарячої води збільшується.

65

Вентиляція з рекуперацією (поверненням) тепла з видаленого повітря Геотермальна кліматична система може забрати тепло з повітря, видаленого

вентиляцією будинку. Повітря перед видаленням з будинку охолоджується, тепло повертається (рекуперується) у будинок. Для цього видалене повітря прокачується через теплообмінник, в якому циркулює теплоносій зовнішнього колектору. Теплоносій підігрівається теплом повітря, теплова потужність і ефективність теплонасосу збільшується, тепло повертається при нагріві гарячої води або з опаленням. Якщо теплонасос в цей момент не працює на тепло (наприклад, весною або восени), тепло акумулюється в ґрунті навколо зовнішнього колектору до ввімкнення теплонасосу.

Осушення повітря ванних кімнат і басейнів.

Осушення повітря в басейнах завжди здійснюється прокачуванням повітря басейну через холодні поверхні осушувача. При цьому повітря охолоджується нижче "краплі роси", з повітря на холодні поверхні конденсується вода, яка видаляється. Враховуючи зазначене вище, геотермальна кліматична система виконає осушення ефективніше і дешевше іншої спеціалізованої техніки.

У великих будівлях використовують модульні теплові насоси - декілька теплонасосів об`єднують під загальним керуванням при спільній або окремих системах опалення, гарячого водопостачання та кондиціонування - охолодження - вентиляції - осушення. Кількість встановлених модулів залежить від потрібної теплової потужності, модулі комплектуються додатковим обладнанням виходячи з конкретних потреб будинку.

Вартість та окупність системи опалення, гарячого водопостачання,

кондиціонування та сушіння повітря на геотермальному тепловому насосі Будь-яка система складається з комплекту обладнання. Склад обладнання

визначається задачами, що має виконувати кліматсистема в будинку (опалення, кондиціонування, гаряче водопостачання, сушіння, рекуперація тепла вентиляції), і наявними енергоресурсами (магістральний газ, електроенергія, рідке паливо тощо). Наприклад, у будинку необхідно забезпечити опалення, гарячу побутову воду, кондиціонування та осушення, за наявних енергоресурсів:

- магістральний газ і електроенергія: система складатиметься з газопроводу, газового двоконтурного котлу, електричного чілера та осушувачів;

- електроенергія: система складатиметься з потужної лінії електропостачання, електрокотла, бойлеру та баку-акумулятора гарячої води, електричного чілера та осушувачів;

- навколишня природа (геотермальне тепло) і електроенергія: система складатиметься з зовнішнього колектору, геотермального теплонасосу, бойлеру та баку-акумулятора гарячої води;

- рідке паливо та електроенергія: система складатиметься з вкопаних цистерн з паливом, двоконтурного котлу, електричного чілера та осушувачів.

В усіх наведених прикладах необхідні також радіатори та/або підлоги/стіни з підігрівом та/або охолодженням, фенкойли.

66

Порівняємо орієнтовні капіталовкладення в системи для, наприклад, будинку підвищеної комфортності площею 500 м2, в якому житимуть 4 людини, з басейном 30 м3, приточно-витяжною вентиляцією. Вочевидь, що вказані величини відрізнятимуться в кожному конкретному випадку, наприклад: проект газопроводу може коштувати і 1000 грн, і $10000, газопровід може бути довжиною і 10 метрів, і 500 метрів, тощо.

Капітальні вкладення в євро.

Енергоресурс Магістральний

газ і електроенергія

Електроопалення Геотермальне

тепло та електроенергія

Рідке паливо та електроенергія

Газопровід або потужна лінія електропостачання, з проектом

5000 5000 - -

Двоконтурний котел 2500 - - 2500

Зовнішній блок центрального кондиціонера, чілер 5000 5000 - 5000

Осушувач повітря басейну 1500 1500 600 1500

Електрокотел або бівалентний нагрівач - 1000 400 -

Бойлер і бак-акумулятор гарячої води 500 літрів - 1600 1600 -

Зовнішній колектор геотермального теплонасосу - - 8000 -

Геотермальний тепловий насос з блоком охолодження - - 14700 -

Цистерни з паливом - - - 2000

Радіатори з монтажем 6500 6500 - 6500

Теплі / холодні підлоги та / або стіни - - 12000 -

Утеплення / звукоізоляція підлоги, стяжка 5000 5000 Враховано у

теплих підлогах 5000

Фенкойли 6000 6000 3000 6000

Котельня, в тому числі димарі 3000 1500 1500 3000

Приточно-витяжна вентиляція з рекуперацією тепла видаленого повітря

6000 6000 3000 6000

Роботи, транспорт і витратні матеріали 2000 2000 2000 2000

Всього 42500 41100 46800 39500

67

Як видно з наведених орієнтовних розрахунків, на геотермальну кліматичну систему потрібні більші капітальні витрати, ніж на аналогічні системи. Різниця становить біля 15%.

Термін окупності геотермальної кліматичної системи

Для визначення терміну окупності геотермальної кліматичної системи відносно інших систем необхідно враховувати вартість енергоресурсів у найближчі роки, а також амортизацію основного обладнання. Враховуючи невизаченість розміру підвищення вартості енергоресурсів, приймемо сучасні вартості енергоресурсів:

- газ - $250 (190 євро) за 1000 м3 - сучасна ціна газу для великих приватних будинків;

- електроенергія - 0,3 грн/кВтг (0,045 євро) - сучасна ціна у деяких садових кооперативах;

- рідке паливо (солярка) 4 грн/літр (0,6 євро) - сучасна ціна з доставкою. Ориєнтовні експлуатаційні та амортизаційні витрати за рік у євро для

будинку площею 500 м2 з басейном 30 м3 (у рік такому будинку орієнтовно потрібно 110000 кВт тепла і 70000 кВт холоду):

Заходи Магістральний

газ і електроенергія

Електроопалення Геотермальне

тепло та електроенергія

Рідке паливо та електроенергія

Вартість у рік газу, електроенергії та рідкого палива, євро 3900 6050 1630 8860

Амортизація у рік двоконтурного котла (стальний, термін служби 15 років)

167 - - 167

Амортизація зовнішнього блоку центрального кондиціонера (термін служби 10 років)

500 500 - 500

Амортизація осушувачів повітря (термін служби 10 років) 150 150 60 150

Амортизація електрокотлу або бівалентного нагрівача (термін служби 10 років)

- 100 40 -

Амортизація бойлеру та баку-акумулятора гарячої води (термін служби 50 років)

- 32 32 -

Амортизація зовнішнього колектору теплонасосу (термін служби 50 років)

- - 160 -

Амортизація геотермального теплонасосу з блоком охолодження (термін служби 25 років)

- - 588 -

Амортизація цистерн з паливом (термін служби 25 років) - - - 80

68

Заходи Магістральний

газ і електроенергія

Електроопалення Геотермальне

тепло та електроенергія

Рідке паливо та електроенергія

Амортизація радіаторів (термін служби 50 років) 260 260 - 260

Амортизація фенкойлів (термін служби 10 років) 600 600 300 600

Амортизація теплих / холодних підлог і стін (термін служби 50 років)

- - 240 -

Амортизація приточно-витяжної вентиляції з рекуперацією (термін служби 25 років)

240 240 120 240

Роботи по постачанню палива, чищенню та налагодженню обладнання, очищенню фільтрів, заправці фреоном кондиціонерів тощо

200 200 - 300

ВСЬОГО експлуатація та амортизація, євро в рік 6017 8132 3170 11157

Термін окупності геотермальної кліматичної системи в зазначеній

комплектації біля 1 року порівняно з аналогічними системами. Через рік і далі хазяїн геотермальної кліматичної системи щорічно заощаджуватиме кілька тисяч євро.

Термін окупності геотермальної кліматсистеми залежить від комплектації, і може бути більшим. Але, термін окупності значно більше залежить від вартості енергоресурсів за декілька років. Вочевидь, що енергоресурси постійно дорожчатимуть.

Також у геотермальної кліматичної системи є деякі нематеріальні переваги, які неможливо визначити у грошовому еквіваленті - пожежобезпечність, вибухобезпечність, санітарна та екологічна безпека, відсутність шуму кондиціонерів, збереження зовнішнього вигляду будинку тощо.

Плюсом експлуатації геотермальних клімат-систем також є знижений, порівняно до інших споживачів, тариф на електроенергію відповідно пункту 1.3. Порядку НКРЕ №309 від 10.03.1999. незалежно від мети споживання електроенергії: освітлення, полив тощо. Система виробництва та використання пари

Насичена і ненасичена пара

У природі, техніці і побуті ми часто спостерігаємо перетворення рідких і твердих речовин у газоподібний стан. Відбувається процес пароутворення. Пароутворення відбувається двома способами – випаровуванням і кипінням. Випаровування можна визначити, як процес пароутворення при любій

69

температурі tºC з поверхні рідини. Конденсація – це процес перетворення пари в рідину. Випаровування супроводжується охолодженням рідини, воно вимагає енергетичних затрат. Конденсація супроводжується виділенням енергії. В процесі конденсації пари виділяється стільки енергії, скільки було затрачено на її утворення.

Якщо рідина перебуває в закритій посудині і займає частину її об’єму, то на початку процесу кількість молекул, що вилітають з рідини, перевищує кількість молекул, які знову повертаються в неї і концентрація молекул пари зростає. Але настає такий момент, що кількість молекул, які вилітають з рідини за одиницю часу, виявляється такою самою, як і кількість молекул, що повертається в неї за той самий час. Такий стан називають динамічною рівновагою рідини й пари. Пару, яка перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою. Таким чином насичена пара має за даної температури максимальну густину і чинить найбільший тиск.

Пара, яка не перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається ненасиченою. Властивості ненасиченої пари можна описувати газовими законами для ідеального газу: Бойля-Маріотта, Шарля, Гей-Люсакка, Клапейрона.

Властивості насиченої пари не підлягають газовим законам. Кипіння в курсі фізики середньої школи трактується як процес

пароутворення з усього об’єму рідини. Кипіння відбувається за такої температури, коли тиск насиченої пари рідини дорівнює атмосферному а точніше трохи перевищує його.

Ратм + Ррідини > Рнас. пари – нема кипіння Ратм + Ррідини Рнас. пари – умова кипіння

Друга умова виконується при кипt сталій для даної рідини, але температури

кипіння залежить від атмосферного тиску. Наближене значення тиску насиченої пари можна знайти, коли відома її

густина ρ за формулою RTM

p , де М – молярна маса, R – універсальна газова

стала, Т – абсолютна температура.

Типи котлів. Котли – це перетворююче обладнання, яке в основному конвертує хімічну

енергію палива в теплову енергію теплоносія. Теплоносій 0 це вода, пара та гаряча нафта.

В котлі спалюється паливо і утворене тепло передається теплоносію, тому котел можна розглядати як звичайний теплообмінний апарат.

Всі котли складаються в основному з топкової камери, де тепло передається безпосередньо від полум’я випромінюванням, та каналів для топкових газів, де тепло передається головним чином конвекцією.

Котли можна класифікувати наступним чином: а) в залежності від теплоносія: водогрійні;

70

парові; повітряпідігріваючі (калориметри).

б) в залежності від використовуваного палива: котли на твердому паливі; газові та мазутні котли; електричні.

в) в залежності від конструкції: жаротрубні котли; водотрубні котли; конденсаційні котли.

В жаротрубних котлах продукти згорання проходять по трубах, оточених водою. У водотрубному котлі продукти згорання проходять навколо труб, заповнених водою. Конденсаційні котли використовують додаткове тепло продуктів згорання шляхом охолодження продуктів згорання нижче точки роси водяної пари.

У водотрубних котлах гарячі гази віддають тепло, яке необхідне для підвищення температури води до точки кипіння. Обидва кінці водяних труб під’єднанні до колекторів або барабанів котла, де насичена пара відокремлюється від води. Потім пара направляється в пароперегінник.

Схема циркуляції води та пари

Циркуляція є важливим фактором в забезпечені адекватної теплопередачі і генерування пари. Циркуляція може бути природною або примусовою з використанням насосів.

71

Переваги використання пари, як теплоносія. Пара як теплоносій має певні переваги:

Пара утворюється з води, яка є доступним продуктом. Пара може зберігати і переносити більшу кількість тепла при

відносно низькій температурі порівняно з рідинами або газами. Тому системи розподілення і використання пари можна виготовляти з порівняно дешевих матеріалів і при цьому мати відносно невеликі розміри.

Тиск пари (і температуру) можна легко регулювати в широкому діапазоні в залежності від споживачів тепла при різних рівнях температури. Низькотемпературні споживання можна задовольнити з допомогою систем високого тиску.

Існуюча система може бути відрегульована для покриття мінливих опалювальних навантажень (у споживачів).

На заводі пара може використовуватись не тільки для опалення приміщень, але і для багатьох інших потреб.

Втрату пари легко виявити. Пара не є небезпечною для здоров’я та оточуючого середовища.

Теплові двигуни.

Теплові двигуни, їх види. Будова та принцип дії. Тепловий двигун - машина, призначена для перетворення теплової енергії на механічну роботу. Джерелом тепла теплового двигуна є переважно органічне паливо. До теплового двигуна з зовнішнім згорянням палива належать парові машини і парові турбіни, до теплового двигуна з внутрішнім згорянням - двигуни внутрішнього згоряння, газові турбіни і реактивні двигуни. В кожному тепловому двигуні розрізняють нагрівник і холодильник. Робоче тіло двигуна, одержавши певну кількість тепла Q1 від нагрівника, розширюється в двигуні, а далі виходить у холодильник (напр. в конденсатор), віддаючи йому кількість тепла Q2. Різниця між підведеним (Q1) і відведеним (Q2) теплом перетворюється у двигуні на механічну роботу; при цьому стан робочого тіла змінюється за замкненим циклом. Ефективність теплового двигуна визначають термічним, або термодинамічним, коефіцієнтом корисної дії, що являє собою відношення кількості тепла, перетвореного на роботу, до кількості підведеного тепла. Карно (Carnot) Нікола-Леонардо-Саді (1.06.1796 - 24.08.1832) - французький інженер, один з перших творців теорії теплових двигунів. Син Л.-Н. Карно. В 1814 закінчив політехнічну школу в Парижі. Карно написав єдиний, але визначний твір “Міркування про

72

рушійну силу вогню та про машини, здатні розвивати цю силу” (1824), в якому вперше сформулював положення 2-го начала термодинаміки. Карно запровадив поняття про круговий тепловий процес в машинах (т.з. цикл Карно), один з перших прийшов до правильного розуміння 1-го начала термодинаміки - закону збереження енергії стосовно до теплових процесів.

Цикл Карно Цикл Карно - ідеальний коловий процес зміни стану термодинамічної

системи. Вперше цей цикл1824 розглянув Н.-Л.-С. Карно. Карно цикл складається з двох ізотермічних процесів і двох адіабатичних процесів, що поперемінно чергуються між собою. Для здійснення його треба мати нагрівник, який передає робочому тілу деяку кількість тепла Q1 при його ізотермічному розширенні, і холодильник, який забирає від робочої речовини кількість тепла Q2 при її ізотермічному стисненні.

На малюнку зображено цикл Карно в координатах р (тиск) і V (об'єм). За допомогою циклу Карно можна тепло перетворити в роботу. Коефіцієнт корисної дії цикл Карно виражає формулою

η = (Т1 - Т2) / Т1 де Т1 - абсолютна температура нагрівника, Т2 - абсолютна температура холодильника, і не залежить від робочої

речовини. Коефіцієнт корисної дії будь-якого іншого циклу в тих самих межах т-р Т1 і

Т2 не може бути вищим за ККД циклу Карно. Цикл Карно дав можливість розв'язати проблему підвищення ККД теплових машин, встановити шкалу т-р, яка не залежить від вибору термометричного тіла. Ідеям Карно надав доступної математичної форми Б. Клапейрон (1834). Згодом ці ідеї переглянули англійський вчений У. Томсон і німецький вчений Р. Краузіус та узагальнили їх в один з основних законів термодинаміки - друге її начало, яке твердить, що не можна здійснити такий процес, при якому все тепло можна було б перетворити на роботу.

73

Коефіцієнт ККД Коефіцієнт корисної дії (ККД) - відношення кількості корисної енергії, яку

одержують від будь-якого її перетворювача за певний час, до кількості енергії, що підводять до нього за цей самий час. ККД виражають правильним дробом або в процентах і позначають грецькою літерою η. У паровому котлі ККД - відношення кількості тепла, що виводять з котла разом із парою, до кількості тепла, яке одержують в топці котла при спалюванні палива. В тепловому двигуні ККД -відношення кількості одержаної корисної механічної роботи до кількості затраченої теплової енергії. ККД є важливою технічною характеристикою кожного перетворювача енергії і завжди менший за одиницю. ККД парової машини досягає 0,2, двигуна внутрішнього згорання - 0,35, електричних трансформаторів - 0,98. У пристрої, в якому енергія перетворюється неодноразово і послідовно, розрізняють, крім повного, частинні ККД кожного ступеня перетворення. Повний ККД називають ще загальним, економічним, технічним тощо. Частинні ККД бувають термічні, механічні та ін. Повний ККД пристрою дорівнює добуткові всіх частин.

Теплові двигуни з зовнішнім згорянням

Парові машини Парова машина - тепловий двигун з рухомим поршнем, призначений для

перетворення теплової енергії пари на механічну роботу. Перші спроби використати силу пари для механічної роботи були відомі з

давніх часів. На початку 16 ст. Леонардо да Вінчі розробив ескіз парової гармати, посилаючись на те, що вона була винайдена ще Архімеловим. Наприкінці 17 - на початку 18 ст. винахідниками різних країн (англійськими дослідниками Т. Севері і Т. Ньюкоменом, французьким фізиком Д. Папером та ін.) були створені парові установки, що використовувались переважно для відкачування води з шахт і рудників. Творцем першої в світі універсальної парової машини, випробуваної 1766 на Барнаульському з'їзді, був російський теплотехнік І.І. Ползунов. У 1784 англійський винахідник Дж. Уатт дістав патент на досконалішу і економічнішу універсальну парову машину з підвищеним тиском пари. Винайдення цієї машини (головні її риси збереглися й досі) сприяло бурхливому розвиткові виробництва спочатку в Англії, а згодом в інших країнах. У 19 ст. парові машини були основними двигунами майже в усіх галузях промисловості. Створення й удосконалення парової машини привело до розвитку нової науки - термодинаміки. Сучасні парові машини розрізняють за багатьма ознаками. Вони бувають простої (пара підводиться з одного боку поршня) і подвійної (з двох боків) дії; вертикальні і горизонтальні (залежно від розміщення циліндрів); для перегрітої і насиченої пари; одно- і багатоциліндрові; тихо- і швидкохідні; з випуском спрацьованої пари в атмосферу і з конденсацією її; з одно- і багатоступінним розширенням пари тощо.

74

Залежно від призначення парової машини поділяють на стаціонарні,

локомобільні, паровозні, суднові. В стаціонарній горизонтальній одноциліндровій паровій машині подвійної

дії свіжа пара надходить з котла парового в ліву порожнину циліндра і, тиснучи на поршень, рухає його праворуч. Одержану енергію поршень за допомогою кривошипно-шатунного механізму передає головному валу, обертаючи його. З вала енергія передається на верстат або на іншу машину. Після виходу спрацьованої пари в атмосферу або в конденсатор (в багатоступеневих машинах - в збірник наступного ступеня) нова порція свіжої пари надходить в праву порожнину циліндра. Відмірювання порцій пари здійснюється системою паророзподілу, яка проводиться в рух від вала. Щоб згладити нерівномірність обертання головного вала, на ньому насаджено важкий маховик. Зміну тиску (р) і об'єму (V) пари під час роботи парової машини записують у вигляді індикаторної діаграми, яка дає можливість визначити економічність і потужність машини. Ділянка діаграми 1-2 (дивитись додаток, мал.1) відповідає заповненню порожнини свіжою парою; 2-3-розширенню пари; 4-1-стиску залишків пари в порожнині (і нової і порції пари у котлі). Площа, обмежена кривою 1-2-3-4-1, пропорційна роботі, виконаній парою за один цикл машини. Особливості парової машини: надійність в роботі, можливість довгочасних і значних перевантажень, нескладність експлуатації, низька економічність, громіздкість. ККД парової машини досягає 0,2-0,25. Парові машини застосовують на залізничному і водному транспорті, на деяких підприємствах (цукрових заводах, паперових фабриках) тощо.

Парова турбіна

Парова турбіна - тепловий двигун з обертовим ротором, призначений для перетворення потенціальної енергії пари на кінетичну, а кінетичної енергії пари - на механічну роботу. Парову турбіну широко застосовують у багатьох галузях народного господарства, зокрема на теплових електростанціях.

75

Ідея створення парової турбіни виникла приблизно за 100 років до н.е. Першим принцип роботи реактивної парової турбіни (що був використаний в кулі, яка оберталася від діяння реактивної сили пари) описав Герон Олександрійський. В 1629 італійський архітектор і інженер Д. Бранка у книзі “Машина” дав опис оберненого парового колеса - прототипу активної парової турбіни. В Росії перші малопотужні парові турбіни були розроблені 1806-1813 на Сузунському з'їзді (Алтай) механіком П. Залєсовим. Перші парові турбіни, що мали промислове значення, були створені Ч. Парсонсом (турбіна реактивного типу, 1884) і К.-Г.-П. Лавалем (турбіна активного типу, 1889). У 1990 американський інженер Г. Кертіс розробив парову турбіну зі ступенями швидкості (т.з. колесо Кертіса). У 1912 шведські інженери брати Б. і Ю. Ангстреми запровадили парову турбіну радіального типу. В СРСР першу вітчизняну парову турбіну потужністю 2000 кВт було збудовано 1924 на Ленінградському металічному з'їзді. У 1934 став до ладу Харківський турбінний з'їзд ім. С. М. Кірова, де будували одноциліндрові парові турбіни потужністю 50 000 кВт, а з 1938 - 100 000 кВт.

Парова турбіна складається з нерухомої частини - статора з нерухомими напрямками апаратами (соплами) і рухомої - обертового ротора з дисками, що на них закріплено робочі лопатки. Пара, що надходить по паропроводу з котла парового, потрапляє у сопла парової турбіни, де розширюється, внаслідок чого її швидкість збільшується (потенціальна енергія пари перетворюється на кінетичну); виходячи з сопел, пара з великою швидкістю обтікає робочі лопатки, внаслідок чого виникає зусилля, яке обертає ротор (кінетична енергія пари перетворюється на механічну роботу). Залежно від характеру перетворення потенціальної енергії пари на кінетичну розрізняють активні турбіни, реактивні турбіни, а також парові турбіни комбінованого (активно-реактивного) типу. За напрямом руху пари парової турбіни бувають осьові (потік пари рухається вздовж осі турбіни) і радіальні (пара рухається в напрямках, перпендикулярних осі турбіни); за кількістю ступенів - одно- і багатоступеневі. Парові турбіни, що їх використовують для приведення в рух електрогенераторів повітродувок, компресорів, насосів тощо, називають стаціонарними; парові турбіни на суднах і локативах - транспортними. Стаціонарні парові турбіни поділяють на конденсації турбіни, після яких пара з тиском, нижчим від атмосферного, надходить у конденсатор; конденсаційні з відбиранням пари з проміжних ступенів турбіни (відібрану пару використовують для виробничих і теплофікаційних цілей); турбіни з протитиском (відпрацьовану пару цих турбін застосовують для опалення і технологічних цілей); перед увімкнені (турбіни з протитиском, відпрацьовану пару з яких використовують у турбінах з нижчим тиском); турбіни “м'ятої” пари, що в них використовують пару низького тиску, яка надходить від парових молотів, процесів і парових машин. Залежно від початкового тиску пари, що надходить до турбіни, парові турбіни бувають низького тиску (працюють на “м'якій” парі з тиском 1,2-2 ата), середнього (тиск свіжої пари до 40 атм), високого (тиск свіжої пари з 60-120 атм), надвисокого (тиск свіжої пари 140-200 атм) і надкритичного (тиск свіжої пари 240 атм і більше). Регулювання парової

76

турбіни бути дросельним (пару впускають у турбіну через один або два клапани, що відкриваються одночасно); сопловим (пару впускають через два або кілька клапанів, що відкриваються послідовно); обвідним (пару впускають до сопел першого ступеня і, крім того, до однієї або кількох проміжних ступенів). На відміну від парової машини, в парової турбіни немає частин із зворотно-поступальним рухом, внаслідок чого турбіни мають відносно невеликі габарити і вагу; пара в паровій турбіні розширюється не періодично (як у паровій машині), а безперервно, що забезпечує швидкохідність турбін (переважно 1500-3000 обертів ротора за хвилину). Ці особливості, а також використання пари високих параметрів при низькому тиску в конденсаторі (0,03-0,06 атм) дають можливість створювати паротурбінні установки високої і надвисокої потужності. Висока економічність таких установок зумовлюється в основному застосування пари високих параметрів, проміжного перегріву пари, високоефективних профілів лопаток, а також великою одиничною потужністю і регенерацією (підігріванням води, що живить котел, парою, яка відібрана з проміжних ступенів турбіни).

Теплові двигуни з внутрішнім згорянням Двигун внутрішнього згоряння

Двигун внутрішнього згоряння - тепловий двигун, в якому хімічна енергія палива, яке згоряє в камері згоряння двигуна, перетворюється в механічну енергію. За призначенням двигуни внутрішнього згоряння поділяються на автотракторні, авіаційні, судові та стаціонарні. Звичайно двигун внутрішнього згоряння - поршневі двигуни.

Двигун внутрішнього згоряння складається з кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів і систем живлення, запалювання (для двигунів низького стиску), охолодження, мащення та регулювання. Для роботи двигуна внутрішнього згоряння застосовують різне паливо: бензин, спирт, дизельне паливо, природний і генераторний гази.

За робочим циклом двигуни внутрішнього згоряння поділяються на двигуни швидкого згоряння (цикл Отто), повільного (цикл Дизеля) та мішаного (цикл Сабате); за видом палива - на газові та двигуни рідкого палива (легкого й важкого); за способом заповнення циліндрів робочою сумішшю - 4- і 2-тактні; за способом утворення пальної суміші - на двигуни з зовнішнім і внутрішнім сумішоутворенням. Двигуни внутрішнього згоряння на компресорні, в яких паливо подається в циліндр крізь форсунку за допомогою стиснутого повітря, і безкомпресорні, де паливо безпосередньо впорскується в циліндр або допоміжну камеру за допомогою паливного насоса і форсунки.

Безкомпресорні двигуни за способом утворення суміші в циліндрі поділяються на двигуни з розділеною камерою згоряння (передкамерні,

77

вихорокамерні та повітрокамерні), в яких на утворення пальної суміші впливає завихрювання, викликане струменем повітря під час стиску впорскуваного палива до 100-130 кг/см2, і двигуни з безпосереднім впорскуванням та розпилюванням палива в циліндрі під тиском 200-1400 кг/см2.

При згорянні палива в двигуні внутрішнього згоряння лише частина його тепла (25-40%) перетворюється в механічну роботу на валу двигуна, решта (60-75%) - це теплові втрати. У двигунах з самозабезпеченням від стиску тепло використовується краще, ніж у двигунах з запалюванням від електричної іскри.

Економічність роботи двигуна внутрішнього згоряння характеризується питомою витратою палива в грамах на одну ефективну кінську силу за годину і становить для бензинових карбюраторних двигунів з електричним запалюванням 220-350 г, а для двигунів з самозапалюванням від стиску - 160-210 г.

Розвиток конструкцій двигунів внутрішнього згоряння характеризуються підвищенням економічності їх роботи, збільшення зносостійкості механізмів і зменшенням ваги.

Двигуни внутрішнього згоряння широко застосовують на транспорті (автомобільному, залізничному, водному, повітряному), в нафтовій промисловості, на лісорозробках, малих електростанціях, в сільському господарстві та ін. галузях народного господарства. Потужність сучасних автомобільних і тракторних двигунів коливається від 20 до 300 к. с. з кількістю обертів від 1500 до 5000 за хв. Для приведення в рух гребного гвинта на річкових і морських суднах застосовують дизелі різних конструкцій потужністю від 10 до 27 000 к. с.

Газова турбіна

Газова турбіна - тепловий турбінний двигун, в якому енергія газового потоку перетворюється в механічну роботу обертового вала. Основною частиною газової турбіни є ротор. Газову турбіну з'єднують з генератором електричного струму або використовують як привод у транспортних та промислових установах. Газова турбіна широко застосовують в авіації. Крім того, їх застосовують на залізничному, морському та автомобільному транспорті, електростанціях, а також на металургійних, нафтопереробних, хімічних та ін. заводах, де як правило використовують відхідні гази. Газові турбіни можуть працювати на рідкому і газоподібному паливі. Спалювання твердого палива (пилу) поки що здійснення в експериментах газотурбінних установок (1959).

Газовий потік, що обертає ротор газової турбіни, утворюється в наслідок спалювання в камері згоряння, до якої компресором подається стиснення повітря. Компресори, що застосовуються в газотурбінних установках, бувають осьові, відцентрові та гвинтові. Основними елементами газотурбінної установки є компресор, камера згоряння, турбіна. Для підвищення ККД газової турбіни застосовують підігрівання повітря відхідними газами (регенерація), проміжне охолодження при стискуванні повітря в компресорі, послідовне підігрівання в камері згоряння тощо. Газотурбінні установки характеризуються значною мірою компактності, малою питомою вагою, надійністю в роботі, меншими

78

експлуатаційними затратами в порівнянні з іншими двигунами. ККД стаціонарних газових турбін, що працюють на газі температурою 650-700°С, становить 30-32%, транспортних - не нижче 20%. При температурі газу 1200-1500°С ККД досягає 45-55%. Потужність газових турбін становить 25000, 40000 і 50000 кВт. Газові турбіни, в яких спалюють тверде паливо, працюватимуть здебільшого за замкненою схемою і матимуть потужність до 200-300 тис. кВт. Реактивні двигуни - тепловий двигун, де хімічна енергія від згорання палива перетворюється на кінетичну енергію газового струменя, що витікає з реактивного сопла, а сила реакції. Яка утворюється при цьому, безпосередньо використовується як рушійна сила (сила тяги).

Згадки про використання реактивного руху зустрічаються в різних народів. Герон Олександрійський (початок н.е.) подав опис першого реактивного двигуна - реактивної турбіни, що приводилася в рух силою реакції витікаючої пари. За допомогою реактивної сили літали порохові ракети, що їх застосовували в Китаї (10 ст.), а згодом (до кінця 19 ст.) - у багатьох європейських країнах.

У 1849 році російський інженер І.І. Третеський запропонував схему повітряного реактивного двигуна, що в ньому утворювалась реакція струменя повітря або газу. Проектом повітряного реактивного двигуна (1866) російського винахідника М.М. Соковніна передбачалось використання сили реакції попереднього стиснутого повітря. Першу схему літального апарата, що приводиться в рух пороховим реактивним двигуном, склав 1881 М.І. Кибальчин. За розрахунками винахідника, в камеру згоряння двигуна замість пороху, що згорів, повинні були автоматично надходити нові порохові заряди.

У 1903 в праці “Дослідження світових просторів реактивними приладами” К.Е. Ціолковський запропонував новий тип двигунів - рідинний реактивний двигун (на рідкому паливі). Цей двигун мав камеру згоряння, що охолоджувалась складовими частинами палива; реактивне сопло, що розширювалось; паливні насоси тощо. Ґрунтовні роботи в галузі теорії реактивного двигуна були виконані М.Є. Жуковським, який, зокрема, досліджував реакцію струменів рідини, що витікає, та І.В. Мещецьким - з питань руху ракет.

До основних частин найпростішого рідинно-реактивного двигуна належать камера згоряння, що в ній згоряє рідке паливо (суміш рідких пального і окислювача); форсунки, що подають під тиском в камеру згоряння пальне і окислювач; реактивне сопло - труба з отвором, з якої продукти згоряння з великою швидкістю витікають назовні. Під час роботи двигуна тиск газу на бічні стінки камери згоряння взаємно урівноважується, і лише тиск на закриту стінку не буде зрівноважений (внаслідок того, що в протилежній частині камери є отвір). Цей незрівноважений тиск і являє собою реактивну силу - силу тяги, що діє в напрямі, протилежному напряму витікаючого струменя газу, і рухає апарат, на якому встановлено двигун.

Сучасні реактивні двигуни поділяють на ракетні двигуни, що використовують для згоряння пальне і окислювач, які містяться на літальному апараті, і повітряно-реактивні двигуни, де необхідний для згоряння пального кисень надходить з атмосфери. Створено також комбіновані реактивні двигуни,

79

що їх застосовують на літаках спеціального призначення. Перспективними є реактивні двигуни, що працюють на ядерному пальному.

Розрізняють реактивні двигуни порохові, або двигуни твердого палива, і рідинно-реактивні, що працюють на рідкому паливі.

Повітряно-реактивні двигун бувають прямоточні (у вигляді прямоточного каналу), пульсуючі (в них згоряння відбувається спалахами, що чергуються), турбореактивні (з газовою турбіною) і турбогвинтові (з газовою турбіною і повітряним гвинтом).

IІ. Теплові двигуни та їх вплив на екологію. Світу, в якому ми живемо, загрожує серйозна небезпека. Втручання людини

у тендітну рівновагу природи - розвиток техніки і промисловості - може нанести непоправну шкоду оточуючому нас прекрасному довкіллю. Одначе, сьогодні існують ефективні методи боротьби проти всіх форм забруднення природи.

Перспективні шляхи покращення екології

Негативні зміни в екології, пов'язані з використанням теплових двигунів уже давно привернули увагу учених всього світу. Роботи ведуться у чотирьох напрямках:

1. Для більш повного згоряння палива в горючу суміш двигунів внутрішнього згоряння додають водень.

2. Для кращого очищення вихлопних і паливних газів застосовують спеціальні фільтри, присадки до палива, а також спеціальну обробку газів перед їх викидом в атмосферу.

3. Пошуки нового, більш чистого виду палива. Широко використовується в якості палива попередньо очищений природній газ, а також спирти.

4. Ведуться великі дослідницькі роботи по створенню водневого та сонячного двигунів .

Розглянемо ці напрямки окремо.

“Iмпект”. Один із засобів запобігти забрудненню атмосфери вихлопом бензинових

двигунів - перехід на електричну тягу. До недавнього часу електромобілі були тихохідні, а заряду батарей їм вистачало лише на коротку відстань. Але нещодавно компанія “Джененрал Моторс” випустила електромобіль “Імпект” (мал. 4). Це автомобіль обтічної форми з двома потужними електродвигунами, по одному на кожне переднє колесо. Він набирає швидкість з 0 до 100 км/год за 8 секунд, як спортивний автомобіль, і розвиває швидкість до 160 км/год. Його акумулятори заряджаються від електростанцій, що спалюють паливо. Виходить, що хоча сама машина і не викидає шкідливих газів, але це робить електростанція. Але електродвигуни можна заряджати вночі, використовуючи залишки електроенергії. Якби більшість машин у Нью-Йорку працювало на електроенергії і підзаряджало акумулятори вночі, електростанція не довелося б спалювати більше палива. Якщо електромобілі, схожі на “Імпект”, поширяться, то лічильники на автостоянках можуть бути переобладнані в зарядні пристрої.

80

Використання вторинної сировини

Вихлопні гази - не єдина проблема. Виготовлення автомобілів потребує багато енергії та сировини. Для збереження природних ресурсів потрібно ширше використовувати вторинну сировину. До 2000 року в одній лише Німеччині на звалищах нагромадилося 2,8 млн. автомобілів. Зараз виробники автомобілів намагаються уникнути втрати такої величезної кількості цінної сировини. У BMW є завод для переробки старих автомобілів. Машина BMW серія 3 має багато пластмасових деталей які в майбутньому можуть дати матеріал для нових автомобілів.

Каталітичні конвертери.

Виявивши, що автомобілі сильно забруднюють атмосферу, вчені спробували зменшити кількість шкідливих газів у автомобільних вихлопах, їм вдалося створити вставку у вихлопну трубу, що допалює більшість шкідливих газів. Цей прилад назвали каталітичним конвертером. Забруднення атмосфери автомобілем скорочується на 90%. В США всі нові автомобілі випускаються тільки з каталітичними конвертерами. Каталітичний конвертер не має рухомих частин і не потребує технічного обслуговування. Каталітичний конвертер схожий на бджолині соти, загальна поверхня котрих дорівнює площі двох футбольних полів. Він розміщений у ящику з нержавіючої сталі розміром 30 см* 23 см. Вихлопні гази проходячи через комірки конвертера, вступають в хімічні реакції з його “начинкою”, що робить більшість отруйних речовин менш шкідливими. Але хімічні речовин, що містяться в конвертері руйнуються свинцем. Через це всі автомобілі, які обладнані цим приладом, не можна заправляти етилованим бензином.

Неетилований бензин. В етилований бензин додають сполуки свинцю щоб двигун працював більш

злагоджено. Але із двигуна свинець потрапляє у вихлоп і разом з ним викидається у повітря, яким ми дихаємо. Свинець отруйний, він може негативно впливати на мозок, тому це небезпечний забруднювач. Найбільше від нього страждають мешканці великих міст, особливо діти. В наші дні уряди багатьох країн світу закликають автомобілістів використовувати бензин без свинцевих добавок. В майбутньому, очевидно, додавати свинець у бензин взагалі перестануть. Це допоможе зменшити свинцеве забруднення.

“Cанрейсер”

“Санрейсер” В майбутньому автомобілі, можливо, перейдуть на сонячну енергію і зовсім перестануть забруднювати атмосферу шкідливими газами. “Санрейсер” (“Сонячний автомобіль”) фірми “Дженерал Моторс” брав участь в змаганнях подібних машин в Австралії. Сонячні панелі на даху “Санрейсера”

81

дають електричну енергію. В електродвигуні машини знаходиться спеціальний магніт. “Сонцемобіль” має дуже незвичайну форму. Вона дозволяє максимально покращити його аеродинамічні властивості. Змагання проводились на трасі довжиною в 3138 км між Дарвіном і Аделаїдою. Першим на фініші був “Санрейсер”. Перехід на електромобілі затримується внаслідок малої ємності і великої маси акумуляторів, “сонячні” ж автомобілі ще занадто дорогі, ще довго вдосконалюватимуться.

Заміна бензину на інші види палива.

Заміна бензину та інших подібних видів пального на кисень та водень - один з шляхів поліпшення стану навколишнього середовища. Внаслідок цього заміщення викиди складатимуться з абсолютно нешкідливої водяної пари. Ужу кілька років літає літак ТУ - 154, один з двигунів якого працює на такому “пальному майбутнього”, накопичуючи цінний досвід.

Іншим шляхом для вирішення проблеми, яким нехтують, є виготовлення з сучасних легких і дуже міцних матеріалів веломобілів. Саме ці матеріали дали змогу виготовити „педальний" літак і пролетіти на ньому більше 100 км без посадки, облетіти навколо Землі на чудернацькому літаку “Войяджер” (США) з однією заправкою пальним. На нашу думку, слід використовувати такі матеріали для виготовлення автомобілів масою 20-30 кг, які можна буде легко розганяти педалями до швидкості в кілька десятків км за годину, і лише для поїздок на великі відстані застосовувати теплові двигуни.

Як не дивно, ще одним шляхом для подолання проблеми забруднення довкілля є економія електроенергії.

Підвищення потужності і економічності, зниження токсичності і шуму - проблеми над якими працюють спеціалісти. В двигуні В.М. Ушуля кожний циліндр складається з двох циліндрів. Внаслідок цього затягується процес згоряння палива. Витрати палива цього двигуна на 30% менші ніж звичайного. Відпрацьовані гази не містять шкідливих для організму речовин. Такий двигун нам потрібен.

Дизельний чи карбюраторний двигун?

З точки зору охорони навколишнього середовища дизельний двигун має переваги перед карбюраторним двигуном. Він економічні ший на 20-30 %. Для виробництва дизельного палива потрібно в 2,5 рази менше енергії ніж для виробництва бензину. У вихлопних газах дизельного двигуна майже немає шкідливих газів, оскільки паливо згоряє майже повністю. Крім того, при згорянні дизельне паливо виділяє на 11 % більше енергії ніж бензин. Треба звернути увагу на те, що при правильно відрегульованому двигуні викиди шкідливих речовин у атмосферу зменшуються у 3-5 разів. До того ж, правильне регулювання карбюратора дає змогу економити паливо.

82

Енергозбереження в будинках

Для обчислення енергетичних витрат будинків в світовій практиці поширений енергетичний аудит. Перед виконанням енергетичного аудиту необхідно зібрати комплекс даних про будинок і систему його опалення.

Краще користуватись інформацією, яка міститься в проектах будинку і обладнання.

Для проведення енергетичного обстеження будівлі необхідно визначити: а. орієнтацію будівлі на місцевості; б. природно-географічні фактори (рельєф, озеленення, водомийна); в. проведення кліматичного аналізу (дані про температури, вітри, сонячну

радіацію, хмарність, опади); г. аналіз геологічної основи (глибина промерзання ґрунту, фізико-

механічні параметри ґрунтів); д. формування вихідних даних про зовнішні параметри; е. отримання та вивчення робочої документації на об’єкті; ж. проведення обліків і розробка відповідних креслень при повній або

частковій їх відсутності. Виконання цього переліку робіт дає можливість отримати повний об’єм

вихідних даних для визначення теплових втрат огороджувальними конструкціями будинку.

Після цього підраховуються інвестиційні витрати на підвищення енергетичної ефективності будинку.

Особливості визначення теплових втрат.

Теплові втрати через матеріал огороджень будинку характеризуєтеся величиною коефіцієнту теплопередачі огороджень (к або u value. Вт/(м·К)), яка характеризує тепловий потік: що проходить черз 1м2 огородження при різниці температур в 1°, а термічний опір огородження R м2К/Вт є величиною, зворотною по відношенню до коефіцієнту теплопередачі к.

Чим більше коефіцієнт теплопередачі огородження, тим більше втрати тепла через його поверхню, а високе значення величини термічного опору свідчить про ефективну теплоізоляцію.

Тепловтрати через огородження розраховують перемножуючи величину k на площу поверхні огородження і на різницю температур повітря, що знаходиться по обидві сторони огородження. Ця різниця змінюється впродовж опалювального сезону, тому розраховувати тепловтрати можна тільки для якогось моменту часу, для якого відома температура зовнішнього повітря. Будівельними нормами для кожного географічного пункту визначено так звану температуру зовнішнього повітря, яку використовують для обчислення максимального розходу тепла за 1 годину в найбільш холодну пору зими (тому х24 за добу).

Для визначення споживання енергії за весь опалювальний сезон необхідно знати середню за цей сезон температуру зовнішнього повітря та кількість днів,

83

впродовж яких необхідно обігрівати приміщення. Якщо перемножити ці дві величини, то отримаємо характеристику клімату місцевості, що називають кількістю градусо-днів (ДД) (Degree Days) опалювального сезону:

Чим точніше дані по змінах температури зовнішнього повітря, тим більш точними будуть розрахунки по загальному споживанню енергії.

Однак, можна отримати приблизну картину, маючи тільки дані по середній за опалювальний сезон температурі зовнішнього повітря, що міститься в кліматичних довідниках. При цьому за базову температуру приймається температура 18°С. Кількість градусо-днів розраховують тільки для тих періодів року, коли температура зовнішнього повітря нижче 18°С. За місяць (30 днів) з середньою температурою зовнішнього повітря +7°С кількість градусо-днів складатиме:

(І8-7)°С х 30 днів = 330 градусо-днів. а тепловтрати Q одного квадратного метра стіни за місяць складатиме:

Q місяць = (ДД місяць х K х 24) /1000 кВт год/м2 При коефіцієнті теплопередачі 1.0 Вт/м2·К це дасть величину теплових втрат

з одного квадратного метра стіни за місяць: 330 х 1,0 х 24/1000 – 7,92 кВт·год/м2

В такий спосіб визначають річні витрати теплової енергії в результаті тепловтрат через огороджуючі конструкції. Ці розрахунки не враховують, втрат тепла через вентиляцію, котрі розраховують у відповідності до нормативних величин повітрообміну для кожного типу приміщень. У цих розрахунках також присутня різниця температур зовнішнього і внутрішнього повітря. Якщо цю різницю замінити на кількість градусо-днів опалювального періоду, то можна визначити річні втрати тепла через вентиляцію.

Отримані величини річних витрат тепла на опалення і вентиляцію можуть бути використані для порівняння різних проектів реконструкції будинків, в яких передбачається здійснити заходи з енергозаощадження.

Економічна оцінка.

Інвестиційні витрати на підвищення енергетичної ефективності будинків можна поділити на первинні і поточні.

• первинні витрати - це вартість проектних робіт, закупка матеріалів,монтаж і пусконалагоджувальні роботи

• біжучі витрати - це експлуатаційні виграти на укладену теплоізоляцію. В деяких випадках біжучі витрати можуть перевищувати первинні, і тому важливо виконати оцінку витрат вже на стадії проектування.

Отримана економія також може бути поділена па річну економію енергії, пов'язану із цінами на енергоносії і на економію біжучих експлуатаційних витрат.

Найбільш простим способом оцінки інвестицій в енергозаощаджуючі заходи є термін їх окупності, що вказує на період часу, за який інвестиції будуть повернені. Для визначення терміну окупності загальна сума інвестицій ділиться на загальну річну економію. Цей спосіб не враховує інфляції, зміну цін на

84

енергоносії, збільшення терміну служби будинку. Розглянемо приклад розрахунку з використанням національних цін па

енергоносії. Приклад. Старий панельний дім без теплоізоляції, обладнаний старою системою

опалення, підлягає реконструкції. Виконується теплоізоляція будинку з вдосконаленням системи опалення.

Припустимо, що до реконструкції споживання енергії знаходилось на рівні 2600 МВт·тод в рік. а після реконструкції - 820 МВт·год. Економія енергії складає - 1780 МВт·тод. При ціні енергії 0.13 грн./кВт·год річна екопомія складатиме :

1780000 кВт·год х 0.13 грн/кВт·год = 231400грн. При сумі інвестицій 1020000 грн. термін окупності складає :

1020000грн./231400грн./рік =4,4 роки. В цьому прикладі не враховані витрати на експлуатацію. Припустимо що

будинок дуже старий і потребує інтенсивного технічного обслуговування, витрати на яке до теплоізоляції були на рівні 25500 грн. Після реконструкції ці витрати зменшились до 6800 грн. Додаткова економія складає 18700 грн. в рік Загальна економія - 250100 грн.

В цьому випадку термін окупності складає : 1020000грн./250100 грн./рік = 4,08 року

Слід враховувати також, що термін служби будинку в цьому випадку, буде значно більшим, а рівень комфорту підвищиться. Необхідно також порівняти отримані дані з результатами розрахунків витрат на реконструкцію будинку без його теплоізоляції і модернізації системи опалення.

Коментарі (на прикладі об'єкту в Україні): Економічна ефективність переходу до огороджуючих конструкцій, що

викопані за новими нормативами опору теплопередачі, оцінена па прикладі житлового будинку серії 96 - однієї з найпоширеніших в Україні.

В будинку замінені одношарові керамзитобетонні зовнішні стінові панелі на тришарові, двохскельні вікна - на трьохскельні, збільшена теплоізоляція горищного перекриття і перекриття над підвалом.

Внаслідок цього опір теплопередачі всіх огороджувальиих конструкцій суттєво збільшився.

Опір теплопередачі м2·К/Вт, огороджувальних конструкцій будинку ДО і ПІСЛЯ реконструкції.

Огородження до після Вікна 0,42 0,50 Стіни 0,83 2,5

Горищне перекриття 1,15 2,7 Перекриття над

техпідпіллям 0,92 2,8

85

Результати розрахунку річної економії теплоти, від підвищення теплозахисних якостей зовнішніх огороджувальиих конструкцій. кВт·год./рік

Втрати тєплоти кВт·год./рік

Огородження ДО реконструкції

ПІСЛЯ реконструкції

Економія

Вікна 308600 259200 49400 Стіни 580000 192500 387500 Горишне перекриття 88600 37700 50900 РАЗОМ 1021500 507100 514400 Втрати через вентиляцію

447600 447600 -

РАЗОМ 1469100 100%

954700 64,9%

514400 35.1%

Теплова потужність системи опалення 9-ти поверхового житлового будинку загальною площею 7760м2 при розрахунковій t° зовнішнього повітря -2,2°С до реконструкції становила 684,9 кВт. а після утеплення огороджень – 484,4 кВт. При цьому річні витрати теплової енергії до і після реконструкції характеризуються величинами, що їх представлено в таблицях.

Результати розрахунку річної економії теплоти, кВт·тод/рік. від підвищення теплозахисних якостей зовнішніх огороджень.

Середній розхід умовного палива в котельних складає в цілому по Україні 149 кг/МВт·тод

З врахуванням витрат теплоти в тепломережах (5%) економія умовного палива складає 1,05 х 149 х 514,4 х 10-3 = 80,5 т/рік. або біля 10 кг з кожного м2 загальної площі житлових будинків.

При світовій ціні біля $80 за одну тонну умовного палива, економія складатиме $6440 за рік.

Порядок розрахунку теплових втрат.

1. Розраховують кількість градусо-днів для періодів року, коли температура

зовнішнього повітря нижче 18°С. 2. Розраховують тепловтрати Q одного квадратного метра, огороджуючої

конструкції за місяць, приймаючи коефіцієнт теплопередачі 1,0 Вт/м2·К. 3. Розраховують термічний опірогороджуючої конструкції за формулою

86

4. Знаходять нормований термічний опір (R0

н) огороджуючої конструкції (з таблиці норм) відповідно до кліматичної зони.

5. Приймають коефіцієнт теплопередачі огороджуючої конструкції, як величину обернену до термічного опору конструкції:

6. Обчислюючи теплові втрати з повної площі, огороджуючої конструкції,

як добуток тепловтрат Q одного квадратного метра площі огороджуючої конструкції за місяць на величину коефіцієнту теплопередачі всієї конструкції:

7. Порівнюють величини фактичного термічного опору Ro і нормованого (з

таблиці нормативного документу) 8. При виконують розрахунок мінімальної товщини утеплювача

за формулою:

приймаючи товщину утеплювача за невідому величину (х).

В такий же спосіб підраховуються річні втрати теплової енергії через інші огороджуючі конструкції (зовнішні стіни, горищні перекриття. утеплені покриття і т.п.), а також товщини утеплюючих прошарків, які забезпечують мінімальний нормативний термічний опір огороджуючих конструкцій.

87

Приклади конструювання енергозаощадних стін

88

Стіни зовнішні утеплені легким сухим методом

Порівняння різних видів опалення

В минулому сторіччі найбільш дешевою сировиною для опалення було спочатку дрова і вугілля, а потім нафта і газ.

Розвіданих покладів нафти та газу, що мають прийнятну собівартість видобутку, в світі залишилось за різними даними на 20-40 років. В зв`язку з тим, що нафтогазових ресурсів стало не вистачати, в світі розпочався процес їх дорожчань.

Відповідно збільшується використання нових, більш дешевих і зручних, альтернативних засобів опалення. Згідно статистики, в розвинених країнах цей процес відбувається лавиноподібне.

Огляд існуючих можливостей опалення:

Традиційні "дідівські" включають використання дров, дерев`яних палетів, чорного і бурого вугілля, торфу.

переваги: відносна дешевизна палива (окрім палетт), невеликі капіталовкладення в обладнання.

загальні недоліки: постійний догляд, складності автоматизації, потрібні приміщення для зберігання палива, пожежонебезпечність, забруднення території, незручність.

Недоліки за видами: Дрова та дерев`яні палети, торф: обмеженість сировинної бази, що призведе

до подорожчання ресурсів у разі початку їх масового використання. Зараз, наприклад, машина дров близько 8 м3 коштує у селах Кіровоградської області 1000 гривень. Україна має один з найменших в Європі відсоток лісів на одиницю території країни.

Чорне та буре вугілля: погана якість українського вугілля, незгораюча частка вугілля доходить до 30%, відповідно низька теплотворність, постійне забруднення обладнання та повітря, велика кількість потребуючих утилізації відходів. У Павлограді (потужний місцевий вуглевидобуток) тонна вугілля

89

коштує 600 гривень, на опалення будинку 100м2 в рік витрачається біля 6 тонн вугілля на суму 3600 гривень, плюс вивіз відходів, чистка димарів тощо.

Відновлювана рослинна сировина, відходи тваринництва включають траву, солому, біогаз з гною від фермерських господарств.

переваги: майже безкоштовна сировина для незначної частини фермерів. недоліки: обмежена ресурсна база та коло застосування, відсутність

масового виробництва обладнання, складність автоматизації. Відновлювана енергетика шляхом отримання енергії з вітру

(вітроелектрогенератори), сонця (сонячні електроперетворювачі, нагрівачі води) тощо.

переваги: дешева тепла вода при сезонному (літньому, наприклад у піонертаборах) використанні для прямого підігріву води.

недоліки: висока собівартість енергії: з вітру - більше гривні за кВт, з сонця - більше трьох гривень за кВт. Значні капіталовкладення: 5000-12000 гривень за кВт встановленої потужності. Негарантоване енергопостачання, залежність від погодних умов, а тому непридатність до використання для опалення. Вітроелектрогенератори створюють шум, електромагнітні поля, погіршують навколо себе радіозв`язок і приймання телерадіосигналів, можливий (але не доведений) негативний вплив на живі істоти, знищують птахів. Сонячні електроперетворювачі надзвичайно дорогі та мають обмежений термін експлуатації (кремнієві плівки). Побудована за часів СРСР єдина сонячна електростанція СРСР потужністю 5 МВт у Щелкіно (Крим) зараз ліквідована зважаючи на нерентабельність експлуатації.

Опалення електроенергією (електрокотли, електричні теплі підлоги, іонні котли тощо)

переваги: - відсутні викиди в повітря та відходи. Україна виробляє більше енергії, ніж

споживає, надлишок енергії експортує. Продажна ціна електроенергії біля 0,2 грн/кВт·г для населення, 0,38 грн/кВт·г для промисловості - наближена до східноєвропейської (0,35-0,6 грн/кВт·г). Відносно стабільна вартість електроенергії в майбутньому - зараз 50% електроенергії України виробляється на атомних електростанціях за собівартістю біля 0,10 грн/кВт·г. (Враховуючи неоднозначне відношення до атомної енергетики, наводимо факти: після Чорнобилю в Європі зупинені тільки один реактор у Чехії та два в Україні, виробництво електроенергії на АЭС у Німеччині зараз складає 35%, а у Франції 76% загального виробництва електроенергії країн. У світі кількість атомних реакторів постійно збільшується. В Україні в 2004-2005 роках введено в дію два нових реактори - на Хмельницькій та Ровенській АЕС) Стабільна сировинна база - зараз Україна є восьмою в світі країною за обсягами видобутку урану, за необхідності має можливості швидкого виходу на четверте місце;

- відносно дешеве обладнання. недоліки: - на даний час в Україні є відповідний досвід електроопалення. Це 15 тисяч

квартир та 10 тисяч закладів соціальної сфери (школи, клуби, лікарні, дитсадки

90

та інше). Загальна потужність існуючого електроопалення не перевищує 200 тисяч кВтг. Така невелика частка електроопалення в загальній системі теплопостачання країни пояснюється, в першу чергу, обмеженою пропускною спроможністю розподільних електромереж. Електромережі, збудовані за часів повної заборони електроопалення житла у дев’яності роки минулого століття, не розраховані на опалення електрообігрівачами. Тому для використання традиційних технологічних схем електричного опалення необхідно виконати комплекс робіт з модернізації розподільчих мереж в частині збільшення їх пропускної спроможності. В іншому випадку можливо зростання випадків перевантаження електромережі та аварійного вимкнення електроенергії.

- висока вартість тепла, що в подальшому зростатиме при підвищенні вартості електроенергії до східноєвропейського рівня.

Опалення електричними геотермальними тепловими насосами переваги: - найбільш дешеве тепло для опалення, підігріву води, підігріву басейну,

систем сніготанення; - можливо як опалення і гаряче побутове водопостачання, так і охолодження

(кондиціонування) будинків одним пристроєм автоматично; - геотермальні теплові насоси - значно ефективнійше кондиціонерної

техніки, один кіловат електроенергії може забезпечувати до 30 кіловат холоду для кондиціонування, ефективно працюють за будь-яких погодних умов та мінусових температур, не створюють шуму на подвір`ї;

- сучасні повітряні теплові насоси ефективно працюють до температури повітря мінус 20 градусів Цельсія. Термін служби теплонасосів становить 25 років, що у 2-3 рази більше за термін служби кондиціонерів та чілерів (8-12 років);

- стабільна сировинна база (електроенергія) та її вартість. Відносно невелике споживання електроенергії, незначне навантаження електромережі. Простий догляд, значна надійність і довговічність обладнання західного виробництва. Відсутні викиди та забруднення. Відноситься до відновлюваної енергетики, не шкодить навколишньому оточенню.

недоліки: - відносно значні початкові капіталовкладення: 1950 - 8500 гривень за кВт

встановленої теплової потужності; - геотермальний тепловий насос може бути встановлено за певних

навколишніх умов - потребують контакту з навколишнім ґрунтом або водоймою. Зважаючи на передбачуваний вступ України до СОТ, і відповідне

наближення цін на паливо в Україні до східноєвропейських, наводимо порівняння опалювальних систем середньоутепленого будинку площею 400 м2 (ціни по Прибалтиці в 2008 році) в залежності від виду палива.

91

Вид палива Теплотворна спроможність

Потреба жилого

будинку в рік

Вартість за одиницю палива,

грн

Вартість всього

опалення, грн/рік

Особливості

Пресований торф 1 тонна - 2,660 кВт 26315 тонн 172 4526 Багато золи і

роботи

Кам`яне вугілля 1 тонна - 5,180 кВт 13,51 тонн 345 4662

Великий обсяг роботи, потрібно вивезення відходів, велика кількість сажі.

Брикет 1 тонна - 3,880 кВт 18 тонн 307 5538 Трудомісткий,

багато золи

Дрова 1 м3 - 1,200 кВт 58,3 м3 115 6708

Трудомісткий. Потребує багато місця для зберігання.

Газове опалення 1 кубометр - 8,0 кВт 8750 м3 1,04 9100 Зручно. Вартість

зростає.

Рідке паливо 1 тонна - 10000 кВт 7 тонн 2220 15540

Потрібні резервуари. Вартість зростає.

Електроопалення звичайне, двухтарифне (пакет 6М)

1 кВтг - 1 кВт 70000 кВтг 0,35 24500 Зручно. Дорого.

Електроопалення тепловим насосом, радіаторне, двухтарифне (пакет 6М)

1 кВтч - 3,3 кВт 21212 кВтг 0,35 7423 Зручно. Безпечно.

Електроопалення тепловим насосом, підлогове, двухтарифне (пакет 6М)

1 кВтч - 4 кВт 17500 кВтг 0,35 6124 Зручно. Безпечно.

В Україні дешевим залишається опалення дровами (крім півдня і сходу країни) або тепловим насосом, середнім по ціні - вугіллям або газом (в малих житлових домах), дорогим - газом (в середніх і великих житлових будинках, адмінбудинках), електроенергією або рідким паливом.

При обранні системи опалення слід також враховувати зручність та безпечність, вартість основного обладнання та побічні капіталовкладення (підвід газу, протипожежний захист та автоматика, вартість приміщень котелень, складів, димарів, вентиляції тощо), вартість поточного обслуговування (вивіз золи, чищення території, димарів тощо).

92

Графік залежності вартості опалення 100 квадратних метрів будинку від вартості газу та електроенергії.

Приклади користування графіком. Приклад 1. Припустимо, потрібно визначити вартість опалення газом

будинку 500 м2 при вартості газу 2000 грн/1000м3. Для цього на левій вісі графіку знаходимо вартість 2000 грн. По горизонталі йдемо до лінії вартості газу - синя/розова переривчаста лінія. Подіймаємося вертикально до лінії вартості газового опалення - темно-синя лінія. Горизонтально ідемо до лівої вісі графіку - отримуємо 4750 грн. Враховуючи, що графік зроблений для 100 м2 будинку, множимо отриманий результат на 5: 4750*5=23750. Відповідь 23750 гривень

Приклад 2. Припустимо, потрібно визначити вартість опалення електроенергією будинку 500 м2 при вартості електроенергії 0,30 грн/кВтг. Для цього на лівій вісі графіку знаходимо вартість 300 грн (вартість 1000 кВтг). По горизонталі йдемо до лінії вартості електроенергії/газу - синя/розова переривчаста лінія. Підіймаймося вертикально до лінії вартості електроопалення - оранжева лінія. Горизонтально йдемо до лівої вісі графіку - отримуємо 5500 грн. Враховуючи, що графік зроблений для 100 м2 будинку, множимо отриманий результат на 5: 5500*5=27500. Відповідь 27500 гривень.

Приклад 3. Припустимо, потрібно визначити вартість опалення геотермальним теплонасосом будинку 500 м2 при вартості електроенергії 0,30 грн/кВтг. Для цього на лівій вісі графіку знаходимо ціну 300 грн (вартість 1000 кВтг). По горизонталі йдемо до лінії вартості електроенергії/газу - синя/розова переривчаста лінія. Підіймаємося вертикально до лінії вартості опалення

93

геотермальним тепловим насосом - зелена лінія. Горизонтально йдемо до лівої вісі графіку - отримуємо 1250 грн. Враховуючи, що графік зроблений для 100 м2 будинку, множимо отриманий результат на 5: 1250*5=6250. Відповідь 6250 гривень. Енергозбереження в електропостачальних системах.

Електропостачальні системи – це сукупність електричних установок,

призначених для виробництва, передавання, перетворення та розподілу електричної енергії.

Основні заходи, спрямовані на підвищення ефективності використання електроенергії, є такими:

використання сучасних засобів обліку та контролю енергоресурсів; запровадження автоматизованих систем керування енергоспоживанням; використання економічних систем і приладів освітлення; впровадження засобів силової електроніки, зокрема регульованого

електроприводу, вентильних регульованих двигунів в побутовому електроприводі, компенсувальних засобів реактивних навантажень, економічних перетворювачів електроенергії у технологічних процесах.

Загальна характеристика

електропостачальних систем. Структурно електропостачальна

система може складатися з таких основних вузлів: приймального пункту електроенергії; власної електричної станції; додаткових джерел живлення; цехових трансформаторних і розподільних підстанцій і електричних мереж високої, середньої та низької напруги.

На рисунку наведено приклад двоступеневої схеми електропостачання з розподільними підстанціями.

Схема електропостачання підприємства.

94

Живлення підприємства здійснюється двома лініями напругою 110 кВ. На головній знижувальній підстанції підприємства (ГЗП) встановлені два трансформатори, струмообмежувальні реактори та комутаційна апаратура на стороні вищої та середньої напруги (10/6 кВ). Від шин ГЗП живлення подається на розподільні підстанції РП, від яких у свою чергу живиться високовольтне навантаження (двигуни, перетворювальні трансформатори, трансформатори потужних електропечей тощо), трансформаторні підстанції 10/6 кВ і цехові трансформаторні підстанції ЦТП. Від ЦТП напругою 380(360) В живляться окремі електроприймачі та електроустановки. Для зменшення споживання реактивної потужності використані компенсувальні засоби (конденсаторні установки).

Під час передачі електроенергії до споживачів в електропостачальній системі мають місце втрати (технологічні) електроенергії у трансформаторах, лініях високої, середньої та низької напруги, компенсувальних пристроях, шинах, тощо. Втрати електроенергії в електропостачальній системі можуть досягати 5-7% від корисної енергії.

Втрати енергії та потужності.

У колах з індуктивністю L, амплітуда сили струму залежить від індуктивності і частоти. Таке коло має додатковий опір Xl=ωL. Сила струму в колі з індуктивним опором відстає за фазою від напруги. Конденсатор в колі

змінного струму чинить опір . Сила струму в колі з конденсатором випереджає за фазою напругу. Індуктивний та ємнісний опори називають реактивними. Повний опір кола, коли активний, індуктивний і ємнісний з’єднані послідовно:

а в разі паралельного з’єднання:

У випадку послідовного з’єднання формула закону Ома для кола змінного струму матиме такий вигляд:

Потужність постійного струму визначається за формулою Р=UI. У колі змінного струму з активним, індуктивним і ємнісним опором існує

зсув фаз . між U і І. Побудуємо векторну діаграму.

95

Трикутник опорів

Після ділення I

UіI

UaI

UcUl ; одержимо XL-XС, R, Z.

Визначаємо tg :

tg = R

cL

1

.

У колі змінного струму середня потужність за період Р= cos2

00 IU .

Якщо перейти до діючих значень сили струму і напруги: Р = UI cos .

Величину Р=UI cos називають потужністю змінного струму на ділянці кола, а cos - коефіцієнтом потужності.

Збільшення реактивного опору, або зменшення активного опору призводить до зменшення потужності, що її споживає навантаження.

Помножимо сторони трикутника, напруг, на І. Одержимо S = U·I - повна потужність; P = Ua·I - активна потужність; Q = (UL – UC)·I - реактивна

потужність.

96

P - потужність, яка безповорно осідає в лініях електропередач і споживачів – вважається корисною потужністю (Вт).

Q – потужність, яка некорисна, «кочує» від генератора до C і L і від них – згову до генератора (вар).

S – потужність, яка визначає втрату палива, або інших видів енергії, - вся використана потужність у В·А.

SP

cos - своєрідний коефіцієнт корисної дії енергосистеми. Чим більший

cos , тим ефективніше використовується електроенергія. .cos;cos ефефUIPSP

Проблема підвищення cos - загальнодержавна проблема. Головні шляхи підвищення cos : 1. Ритмічність роботи підприємства; 2. Максимальне завантаження верстатів (L). Для певного L можливо підібрати відповідне С, щоб

.1cos0 SPQ

Втрати потужності в трансформаторах. Під час роботи трансформатора мають місце втрати потужності в його

обмотках та магніто проводі. Їх визначають за паспортними даними і фактичним навантаженням трансформатора наступним чином:

,2кзнх РкPP

де – ΔРнх – втрати неробочого ходу, ΔРкз – втрати короткого замикання трансформатора.

Втрати потужності в трансформаторі TN-1000 становлять 1,3-1,7% від активної потужності, що передається споживачам. Втрати енергії у процентному відношенні є більшими, чим втрати потужності і перевищують їх на 0,5-12%. Більші втрати потужності мають місце при нерівномірному графіку навантаження, характерному для однозмінної роботи підприємства.

Відношення індукованих в обмотках трансформатора ЕРС дорівнює відношенню кількості витків:

.2

1

2

1

nn

Оскільки опір обмоток малий, .2

1

2

1

2

1 knn

UU

Відношення 2

1

nnk називають коефіцієнтом трансформації.

Якщо по вторинній обмотці, приєднаній до навантаження (активний опір) проходить струм І2 а по первинній І1, то

І1n1 = I2n2,

97

тобто кількість ампервитків в обох обмотках однакова. Магніто провід концентрує магнітний потік Ф1, створений струмом І1, у

первинній обмотці. Змінний магнітний потік збуджує у кожному витку первинної обмотки ЕРС самоіндукції, що дорівнює

tФ . В кожному витку вторинної

обмотки виникає ЕРС індукції, рівна також

t

Ф .

Розглянемо різні випадки. Коло вторинної обмотки розімкнуто '

2R , внаслідок в ньому І=0, а напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює індукованій в ній ЕРС U2=ε2.

При холостому ході (коли до кінців вторинної обмотки не увімкнено навантаження) в первинній обмотці йде струм холостого ходу. Сила струму І0 холостого ходу мала (приблизно 5% номінальної сили струму).

00,011 1111111 cc URIRRIU

Отже 11 cU . Згідно закону Ленца у вторинній обмотці 22 U .

Якщо 0'2 R - робочий режим. Коло другої обмотки замкнуто, в ній тече

струм І2. У випадку навантаженого трансформатора струм І2 створює магнітний потік Ф2, який перешкоджає зміні потоку Ф1(правило Ленца).

Чим більший струм І2 тим менший 1c , а ,11

1 RU c .1

1 tILc

Зростання I2 веде до зростання I1.

U2

/= 222 RI U2

/ - напруга подана споживачам енергії. За законом збереження енергії потужність у вторинному колі менша за

потужність у первинному колі: 12 PP ,

де - втрати потужності. Коефіцієнт корисності дії трансформатора:

%100*11

22

UIUI

Втрати потужності в лініях електропостачання визначаються розрахунковим способом за відомою формулою:

Pл = 3I2r = rU

QP *2

22 ,

де U – напруга мережі; P, Q, I – відповідно активна, реактивна потужності, струм лінії; r – активний опір.

98

Вплив реактивної потужності на втрати електроенергії

Основні споживачі реактивної потужності та їх орієнтована частка у загальному споживанні електроенергії:

асинхронні двигуни – 38%; трансформатори – 32%; вентильні перетворюючі – 10%; електротехнологічні установки – 8%; лінії електропередачі – 7%; побутові споживачі – 5%. Внаслідок передачі реактивної потужності по мережі виникають:

додаткові втрати активної потужності у мережах споживача та енергосистеми;

зміна рівнів напруги у вузлах навантаження; збільшення встановленої потужності трансформаторів або

недовикористання їх встановленої потужності. Асинхронні двигуни є одним з основних споживачів реактивної потужності.

На величину коефіцієнта потужності в найбільшій мірі впливають ступінь завантаження двигуна та його номінальна швидкість обертання.

Зменшення реактивних навантажень ЕПС може бути досягнуто: заміною малозавантажних асинхронних двигунів двигунами малої

потужності; зменшення напруги у асинхронних двигунах, що систематично

працюють з малим навантаженням; обмеження тривалості неробочого ходу асинхронних двигунів; заміною асинхронних двигунів на синхронні; забезпечення оптимального завантаження силових

трансформаторів; застосування електричних ліній з низьким індуктивним опором; зменшення кількості трансформацій напруги.

Для компенсації реактивних навантажень застосовують:

конденсаторні батареї; синхронні машини; статичні компенсувальні пристрої.

Вплив якості електроенергії на втрати потужності

Стандартом на електроенергію ставляться певні вимоги щодо її якості у

електричних мережах змінного струму. Відхилення напруги впливають на втрати активної потужності в елементах

мереж та електроприймачах.

99

Несиметрія напруги у трифазних мережах викликає додаткові втрати в елементах мереж, скорочення терміну служби та погіршення економічних показників роботи електрообладнання.

Втрати в електричних мережах при несиметрії напруги зростають. Несинусоїдальність напруги є причиною додаткових витрат потужності в

електричних мережах й електроустановках.

Електричний привід

Електропривід – це електромеханічний комплекс, який складається з електричного і механічного пристроїв для здійснення керованого перетворення електричної енергії в механічну і призначений для приведення в рух машин і механізмів. Зворотне перетворення енергії здійснюється лише в гальмівних режимах.

Переваги електропривода в порівнянні з іншими типами приводів: простий метод передачі електроенергії, високий ККД; можливість регулювання швидкості і моменту; можливість роботи в режимі двигуна і гальма.

До показників електроприводу відносяться: діапазон регулювання - відношення максимальної до мінімальної

кутової швидкості двигуна (наприклад, Д = 5:1) плавність регулювання – відношення швидкостей двох сусідніх

ступенів регулювання; стійкість роботи – здатність відновлювати установлений режим

роботи при різних збуреннях; економічність регулювання – визначається оцінкою затрат при

регулюванні. В Україні більше 50% усієї вироблюваної електроенергії споживається

електропроводами. Серед найбільш енергоємнісних споживачів є вентиляторні, насосні, компресорні установки, конвекційні лінії, обробні верстати.

Електроприводи використовують до 64% електроенергії, яка споживається в промисловості. Найбільш енергоємні користувачі – електроприводи прокатного виробництва (стани гарячої, холодної, слябінги, блюмінги, смугові стани та інше обладнання), оброблюванні верстати, компресори.

Останні досягнення в області мікропроцесорної техніки дають перспективи скорочення енерговитрат, створення високо економічних електродвигунів і систем електроприводу.

Розглядаючи продуктивність машини, необхідно оцінити роботу електричних і механічних пристроїв.

При обертанні електродвигуна він розвиває електромагнітний момент М для подолання статичного моменту Мст., створюваного робочою машиною на валі двигуна. Рівняння руху двигуна і з’єднаної з ним робочої машини має вигляд:

М – Мст. = Мдин.

100

де Мдин. – динамічний момент, що зумовлює зміну частоти обертання електромеханічної системи.

При Мдин. = 0 будемо мати умову сталого режиму роботи двигуна. При Мдин. > 0 – прискорення обертання системи. При Мдин. < 0 – гальмування системи. Всі електричні машини є зворотними, тобто можуть працювати як в

режимі двигуна, так і в генераторному режимі. В першому випадку електрична машина є споживачем електроенергії, в другому випадку машина є джерелом електричної енергії.

Електричні двигуни

Електричні двигуни поділяють: асинхронні; синхронні; постійного струму.

Електричні двигуни являють собою основний елемент електропривода, що здійснює перетворення електричної енергії в механічну, а в деяких випадках і зворотнє перетворення.

Найбільш масове застосування знаходять асинхронні двигуни з короткозамкнутив ротором.

Загальні втрати в електродвигунах складаються з чотирьох елементів: 1) втрати в сталі («втрати в осерді»), що залежать від напруги і тому є

постійними для будь-якого електродвигуна; 2) втрати в міді, відомі як втрати I2R, пропорційні квадрату струму

навантаження; 3) втрати на тертя (або механічні) і вентиляційні втрати. Ці втрати є

сталими для заданої швидкості і не залежать від навантаження. 4) Додаткові (паразитні) втрати, що залежать від навантаження. Втрати в сталі складаються з втрат на гістерезис, що залежить від фізичних

властивостей використовуваної сталі, і втрат на вихрові струми, що визначається конструкцією і складанням сталевих пластин. Втрати в сталі (в осерді) впливають на коефіцієнт потужності (cos φ) електродвигуна, оскільки їх виникнення зв’язане зі споживанням реактивного струму. Коефіцієнт потужності переважно має індуктивний характер. Щоб звести до мінімуму можливе зниження ККД і коефіцієнта потужності, варто прагнути до того, щоб номінальна потужність електродвигуна була по можливості як найближчою до дійсного навантаження двигуна.

Зі збільшенням потужності двигуна збільшується його номінальні значення ККД і коефіцієнта його потужності.

У асинхронних двигунах статор живиться від трифазної мережі змінного струму, а до ротора підводиться постійний струм збудження. Механічна характеристика асинхронного двигуна є абсолютною жорсткою і не залежить від завантаження двигуна.

101

Перевагою асинхронного двигуна є можливість регулювання реактивної потужності в залежності від струму збудження.

Двигуни постійного струму в залежності від схеми приєднання якоря й обмотки збудження, бувають:

1) незалежного збудження; 2) паралельного збудження; 3) послідовного збудження;

Електрична схема двигуна постійного струму

Підвищення ефективності роботи електродвигунів здійснюється за рахунок таких факторів:

1) Збільшення навантаження електродвигунів до номінального. 2) Використання обмежувачів неробочого (вільного) ходу. 3) Заміна недовантажених двигунів двигунами меншої потужності. Енергоощадними двигунами є асинхронні короткозамкнуті двигуни. Асинхронні електродвигуни з підвищеним ККД споживають менше

електроенергії, ніж подібні звичайні електродвигуни. При їх виготовлені затрати міді і сталі збільшується. Електродвигун із

підвищеним ККД виділяє при роботі менше тепла, що дозволяє зменшити потужність і розмір охолоджуючого вентилятора, а це веде до зменшення загальних витрат потужності.

Проміжними передачами є муфти і редуктор. ККД ηсер. Становить:

редnмпер

де nм - ККД муфти, n – кількість муфт,

ред - ККД редуктора. Усунення механічних передач приводить до істотного підвищення ККД

системи, що є однією з основних тенденцій розвитку електропривода. Частотний спосіб регулювання двигунів є найперспективнішим і широко

використовується в наш час.

102

Зміна частоти напруги живлення забезпечує зміну синхронної швидкості електродвигуна відповідно до виразу

pfn

60

n – швидкість, f - частота, p - полюси електродвигуна. Вентиляторні установки характеризуються параметрами: подачею – Q

(м3/с), напором – H (м), ККД - %. Насосні установки характеризуються параметрами: подачею – Q (м3/год),

напором – H (м), ККД - %. Компресорні установки характеризуються параметрами: подачею – Q

(м3/хв), тиском – р (Па), ККД - %. Зв’язок між напором і тиском визначається ghp , де - густина

(щільність) - 3мкг

, g – прискорення вільного падіння 28,9смg .

Потужність двигуна (кВт) визначається виразом:

nghQkP

310

для насосів і вентиляторів.

Електричне освітлення.

Оптичну область електромагнітних хвиль становлять хвилі з довжиною в

діапазоні від 10 нм (1 нм = 1·10-9 м) до 1000 мкм (1 мкм = 1·10-6 м). Нижню частину частотного діапазону займають інфрачервоні промені (λ = 760-1000 мкм), верхню – ультрафіолетові промені (10-380 нм). Оптичні випромінювання від 380 до 760 нм викликають в органах зору людини відчуття світла – це видимі промені.

До кількісних показників освітлення належать сила світла, освітленість, світловий потік і яскравість.

Світловий потік оцінюється за дією на селективний приймач світла – око. Світловий потік Ф – це потужність світлового випромінювання. Одиницею світлового потоку Ф є люмен (лм).

Сила світла – це кутова просторова густина світлового потоку

ФI

103

де Ω – просторовий кут з вершиною у точці розташування джерела світла. Розмірність [І] = кд (кандела).

Освітленість – це відношення світлового потоку, що падає на поверхню до площі цієї поверхні.

SФE

Розмірність [Е] = 1 люкс = (1 лм/1 м2). В сучасних джерелах світла електрична енергія перетворюється в

світловий потік двома шляхами: за рахунок нагрівання провідників електричним струмом

(теплові випромінювачі); за рахунок електричного розряду в газах чи шарах металу

(розрядні випромінювачі).

Типи електричних ламп. Лампи розжарення:

з вольфрамовою ниткою й аргоновим наповнювачем (звичайні лампи);

з вольфрамовою ниткою вакуумні; з біспіральною вольфрамовою ниткою і криптоновим

наповнювачем; з вольфрамовою ниткою галогенні.

Перелік розрядних випромінювачів (газорозрядних ламп) значно більший. Газорозрядні лампи діляться на дві групи: низької яскравості і високої

яскравості. До газорозрядних ламп низької яскравості належать:

газорозрядні лампи низького тиску (звичайні люмінесцентні); натрієві низького тиску.

До газорозрядних ламп високої яскравості належать: натрієві лампи високого тиску; ксеонові лампи високого тиску; ртутні лампи високого тиску, в тому числі метало галоїдні.

Поєднанням обох типів випромінювачів є комбіновані ртутні лампи високого тиску з вольфрамовою ниткою.

Основні показники електричних джерел світла. Розрізняють енергетичні, світлотехнічні, електротехнічні, експлуатаційні

показники джерел світла. До енергетичних показників джерел світла належить енергетичний

коефіцієнт корисної дії (ηел.) і ефективний коефіцієнт корисної дії потоку випромінювання лампи η(еф).

Енергетичний коефіцієнт корисної дії визначається як відношення повного потоку випромінювання лампи Фе(Вт) до її потужності Рл(Вт):

104

.л

еел Р

Ф

Ефективний коефіцієнт корисної дії як відношення ефективного потоку випромінювання Феф(Вт) (потоку випромінювання в оптичній області спектра) до повного потоку випромінювання Фе(Вт)

.Ф

Фефеф

До світлотехнічних показників ламп віднесені: світловий потік, спектральний склад випромінювання, пульсація світлового потоку та світлова ефективність – світловіддача. Світловіддача Н – це відношення світлового потоку джерела світла до споживаної потужності лм/Вт.

До електротехнічних показників належать: номінальна потужність лампи. До експлуатаційних показників ламп належать: корисний термін служби а

також залежність основних параметрів лампи від напруги живлення.

Лампи розжарення. Лампи мають вольфрамову спіраль розжарення і бувають вакуумними (тип

В) і газонаповненими (Г, Б, БК). Колби моноспіральних ламп типу Г і біспірального типу Б наповнюють аргоном з домішкою 12-16% азоту, біспіральні типу БК наповнюють криптоном.

До переваг ламп розжарення належать відсутність пульсацій світлового потоку, неперервність спектру випромінювання. Задовільна передача кольорів. До того ж лампи розжарення є єдиними джерелами світла на напругу 12-36 В.

Кращу світлову ефективність мають галогенні лампи розжарення, що досягається підвищенням температури тіла розжарення. Але підвищення температури приводить до випаровування спіралі, отже, до зменшення її терміну служби.

Уникнути таких негативних явищ вдається в галогенних лампах розжарення з вольфрамо-йодним циклом. Галогенні лампи виготовляють до 1-5 кВт, їх світловіддача 22 лм/Вт, а середній термін служби 2000-3500 годин.

Основним недоліком ламп розжарення є їх низька світловіддача (±1,8%) та відносно малий термін служби (1000 год).

Газорозрядні лампи низького тиску (люмінесцентні лампи).

В люмінесцентних лампах перетворення електричної енергії в світлове випромінювання має дві фази. Електричний струм, протікаючи між електродами лампи, викликає електричний розряд в шарах ртуті, які містяться в колбі люмінесцентної лампи. Розряд супроводжується випромінюванням (електролюмінісценція).

Промениста енергія, яка утворюється в таких умовах, діючи на люмінофор, нанесений на стінки колби лампи, перетворюється у світлове випромінювання.

105

Трубчасті люмінесцентні лампи низького тиску з розрядом в парах ртуті за спектральним складом діляться на лампи білого світла (ЛБ, температура кольору 3500 К), теплого світла (ЛТБ, 2700 К), холодно білого (ЛХБ, 4850 К), денного світла (ЛД, 6500 К), лампи денного світла з виправленою передачею кольорів (ЛДЦ), природного світла (ЛЕ) і природного світла з покращеною передачею кольорів (ЛЕЦ).

Коефіцієнт пульсацій світлового потоку люмінесцентних ламп біля 23%, а для ламп ЛДЦ – 43%.

Переваги люмінесцентних ламп відносно велика світло передача, тривалий термін служби, простота конструкції. Потужність ламп в межах 4-250 Вт, світловіддача 75-80 лм/Вт.

Малогабаритні люмінесцентні лампи при однаковому з лампами розжарення світловому потоці споживають приблизно в 4 рази менше енергії.

Натрієві лампи.

В газорозрядних натрієвих лампах використовується випромінювання ліній 589 і 589,6 нм, що забезпечує їм високу світловіддачу.

Натрієві лампи низького тиску (0,2-1,2 па) практично випромінюють жовте, монохроматичне світло і використовуються для освітлення автострад, тунелів, майданчиків товарних станцій тощо. Світловіддача ламп становить біля 180 лм/Вт.

В натрієвих лампах високого тиску (4-14 кПа) використовується електричний розряд в парах натрію, ртуті і запалювальному газі ксеноні.

Лампи типу ДНаТ(дугові, натрієві, трубчасті) мають коефіцієнт потоку 82%, світловіддачу 100-170 лм/Вт, використовуються для освітлення вулиць, майданів і великих територій. Корисний термін служби 10000-15000 год, найвища світловіддача.

Ксенонові лампи.

Ксенонові лампи високого тиску типу ДКсТ (дугова, ксенонова, трубчаста) мають потужність в десятки кіловатів і забезпечують високу якість передачі кольорів освітлених об’єктів. Вони запалюються від пускового пристрою, який забезпечує виникнення розряду у ксеноні від імпульсу напруги до 30 кВ.

Світловіддача таких ламп 100 лм/Вт. Термін служби до 2000 годин. Діапазони потужностей ксенонових ламп 5-100 кВт. Переваги ксенонових ламп – висока концентрація потужності в одній лампі.

Ртутні лампи високого тиску (ртутні лампи з люмінофором ДРЛ). Ртутні кварцові лампи високого тиску типу ДРЛ (дугова, ртутна,

люмінесцентна) має заповнену аргоном під високим тиском (0,3-0,5 МПа) скляну колбу і малі габарити, що дозволило підвищувати температуру розрядної трубки до 750°С.

Діапазон потужностей ртутних ламп високого тиску становить 400-2000 Вт на напругу 220 В і 380 В.

106

Лампи використовуються для зовнішнього освітлення приміщень з висотою стелі понад 4 м на промислових підприємствах. Переваги: висока світловіддача, висока яскравість, великий діапазон потужностей.

Металогалоїдні лампи (ртутні лампи високого тиску з добавками ДРИ).

Металогалоїдні лампи – це ртутні лампи високого тиску, в розрядну трубку яких введено добавки у вигляді галогені дів різних металів. Галогеніди металів випаровуються легше, ніж метали, що дозволяє змінювати у широких межах спектральний розподіл випромінювання і збільшити світловіддачу порівняно з лампами ДРЛ. Галогенідні добавки доповнюють спектр випромінювання ртуті жовтою лінією натрію, зеленою талію, синіми лініями індію, що покращує передачу кольорів.

Переваги: висока світловіддача, покращена передача кольорів. Недоліком є екологічна небезпека використання ламп.

Освітлювальні пристрої.

Світловими називають пристрої, що містять у своєму складі джерело світла і світлову арматуру, яка в свою чергу складається з оптичної системи і допоміжної апаратури.

Світлові пристрої поділяються на: освітлювальні, зокрема, ближньої дії – світильники і дальньої дії

– прожектори; світло інформаційного призначення – проектори; світлосигналізаційні; опромінювальні.

Конструкція світлового пристрою в тій чи іншій мірі поглинає частину світлового потоку джерела світла.

Відношення світлового потоку, що виходить з освітлювального пристрою (Фоп) до світлового потоку лампи (Фл) освітлювального пристрою:

.л

оп

ФФ

Світловий ККД більшості вітчизняних освітлювальних пристроїв лежить в межах 60-75%.

Енергоощадні освітлювальні системи повинні використовувати як правило найефективніші джерела світла і освітлювальні пристрої, потрібно враховувати ручне чи автоматичне керування освітлювальною системою.

Поновлювальні джерела енергії.

Класифікація поновлювальних джерел енергії.

Усі енергетичні ресурси на Землі, що є продуктами безперервної діяльності Сонця, можуть бути поділені на дві основні групи: на акумульовані

107

природною й у більшості випадків не поновлювальні та на не акумульовані, але постійно поновлювальні.

До першої групи належать нафта, кам’яне та буре вугілля, сланці, торф і підземні гази, а також термоядерна і ядерна енергія. До другої групи належать сонячне випромінювання, вітер, потоки рік, морські хвилі, припливи та внутрішнє тепло Землі.

Поновлювальними джерелами енергії називають ресурси енергії, що постійно циклічно поновлюють енергетичну цінність і можуть бути перетворені на корисну роботу. Класифікацію поновлювальних джерел енергії відобразимо на схемі:

Результатами прямої сонячної діяльності є тепловий ефект і фотоефект,

внаслідок чого Земля отримує теплову енергію та світло. Результатом побічної діяльності Сонця є відповідні ефекти в атмосфері, гідросфері та геосфері, що викликають появлення вітру, хвиль, зумовлюють течію річок, створюють умови для збереження внутрішнього тепла Землі.

Перевагами поновлювальних джерел енергії порівняно з традиційними є: вони практично невичерпні; не забруднюють навколишнє середовище; відпадає необхідність у добуванні, переробці та доставці палива; немає потреби використовувати воду для охолодження, вилучати

золові відходи або продукти розпаду; немає необхідності у дефіцитних високотемпературних

матеріалах; можуть працювати без обслуговування; немає потреби в транспортуванні енергії.

Основним недоліком більшості поновлювальних джерел енергії є непостійність їхнього енергетичного потенціалу.

Необхідність використання поновлювальних джерел енергії визначається такими факторами:

Сонце

Пряма сонячна енергія Скісна сонячна енергія

Тепловий ефект

Фотоефект

Ефекти в атмосфері

Ефекти в гідросфері

Ефекти в геосфері

Теплова сонячна енергія

Енергія біомаси

Фото-енергетик

а

Вітрова енергія

Гідроенергія

Хвильова енергія

Геотермальна енергія

108

швидким зростанням потреби в електричній енергії, споживання якої через 50 років, за діякими оцінками, зросте в середньому в 3-4 рази. А в розвинутих країнах в 5-6 раз;

вичерпуванням у найближчому майбутньому розвіданих запасів органічного палива;

забрудненням навколишнього середовища оксидом азоту та сірки, вуглекислим газом, пилоподібними останками від згорання видобувного палива, радіоактивним забрудненням і тепловим перегрівом при використання ядерного палива.

Геліоенергетика.

Сонце – гігантський „термоядерний реактор”, який працює на водні і щосекунди шляхом плавлення переробляє 564 млн. тонн водню на 560 млн. тонн гелію. Втрати чотирьох мільйонів тонн маси дорівнює 91·109 ГВт·год енергії (1 ГВт = 1 млн кВт).

За одну секунду виробляється енергії більше, ніж 6 мільярдів АЕС змогли б виробити за рік. Завдяки захисній оболонці атмосфери лише частина цієї енергії досягає поверхні Землі.

Сонячна теплоенергетика.

Нині сонячна енергія найбільш широко використовується для виробництва низько потенціального сонячного тепла за допомогою найпростіших плоских сонячних колекторів.

Схема побутової геліосистеми

109

Дія сонячного колектора базується на явищі „парникового ефекту” для нагрівання робочої рідини. Рідина в сонячному колекторі має бути морозостійкою та нетоксичною. Зазвичай використовується вода з 40%-вим пропіленгліколем (може витримати – 20°С), яка має колір і запах, щоб у разі її потрапляння в питну воду можна буде легко визначити її наявність.

Схема сонячного колектора (поперечний переріз)

Найбільш поширене використання сонячної енергії це пряме нагрівання

води для опалення будинків та гарячого водопостачання. Серед подібних установок найбільш широко поширені установки

нагрівання води термосифонного типу, в яких циркуляція відбувається за рахунок природної різниці густини нагрітої та холодної води. Циркуляційний ефект підсилюється за наявності пароутворення в контурі. Для забезпечення циркуляції води можуть використовуватись насоси.

Крім колекторів, щоб використати сонячне тепло для опалення будинків, вдаються до пасивних методів, основаних на оптимізації архітектурно-планувальних рішень. У пасивних системах поглинання та акумулювання сонячної енергії відбувається безпосередньо елементами будівельних конструкцій.

Найбільш простою формою пасивного сонячного опалення є орієнтація вікон у будинку таким чином, щоб усі великі вікна виходили на південь. Будинку з південною орієнтацією вікон треба на 15-25% менше опалення, ніж подібному будинку зі східною або західною орієнтацією вікон.

Найбільша економія досягається, якщо внутрішнє оздоблення будівель виконані з тепло поглинаючих матеріалів, а вікна покриті зсередини тепло відбиваючим матералом.

Крім того, використовується сонячна стіна – скляна плитка або прозора ізоляція на зовнішній стороні стіни.

110

Сонячна теплоелектроенергетика.

Електричну енергію за рахунок використання сонячної енергії можна отримати в теплосилових установках, в яких тепло від згорання палива замінюється потоком концентрованого сонячного випромінювання.

Робочим тілом в колекторах є вода або водно-спиртовий розчин в зимовий період. Ефективність використання поданого на приймач випромінювання становить від 20 до 35%, вироблена електроенергія становить від 10% до 30% ефективного поданого випромінювання.

Принципова схема будови енергетичної геліоустановки.

Більшість сонячних електростанцій передбачає однаковий принцип дії:

поле розміщених на рівні землі дзеркал – геліостатів, що „слідкують” за Сонцем, відбивають сонячні промені на приймач - ресивер. Ресивер – це сонячний котел, в якому виробляється водяна пара середніх параметрів, спрямована потім на газову турбіну.

Сонячна радіація

Колектор

Перетворювач енергії Сонця або накопичувач

Енергоустановка (тепловий двигун, парогенератор – турбіна)

Електрогенератор

Енергія передається робочою рідиною

Енергія робочої рідини передається паросиловій

установці

111

Принцип дії та схема паросилової сонячної електростанції

Щоб можна було виробляти електричну енергію в нічний час та в періоди

зменшення сонячної радіації, користуються звичайним паливним котлом, що дає змогу турбіні працювати в різних режимах.

Сонячна фотоелектроенергетика.

Останнім часом через стрімкий розвиток космічної техніки у світі зросла цікавість до установок, які безпосередньо перетворюють сонячну радіацію на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фотоелектроперетворювачів (ФЕП). Вартість електроенергії, що виробляється фотоелектричними установками (ФЕУ) на сьогодні в декілька разів вища ніж на електричних станціях з тепловим циклом. Незважаючи на це, ФЕУ активно впроваджуються як у розвинутих країнах, так і в країнах, що розвиваються.

Вперше явище фотоефекту дослідив французький фізик Бекерель 1839

року, отримавши потік електронів при освіченні сонячним світлом пластини оксиду міді. Винахід був широко впроваджений в життя після відкриття

112

напівпровідників. Як світлочутлива зона фотоелементів використовуються селен (Se), кристалічний кремній (Si), аморфний кремній (SiGe) тощо. Фотоефект утворюється, коли фотон падає на елемент із двох матеріалів з різним типом електричної провідності (дірковий або електронний).

Вітроенергетика.

Енергія вітру вічно поновлювана й невичерпна, поки гріє Сонце. Вітер утворюється на Землі в результаті нерівномірного нагрівання її поверхні Сонцем.

Повітря над водною поверхнею впродовж світлової частини доби залишається порівняно холодним, оскільки енергія сонячного випромінювання витрачається на випаровування води та поглинається нею. Над сушею повітря нагрівається завдяки тому, що вона поглинає сонячну енергію менше, ніж поверхня води. Нагріте повітря розширюється і піднімається вгору, а його замінює холодне повітря від поверхні води. Вночі суша охолоджується швидше, ніж вода, і температура над водою буде вища ніж над сушею. Тому вітри міняють свій напрямок, і холодне повітря суші витісняє нагріте повітря водної поверхні.

Аналогічно відбувається зміна напрямку вітрів у гірській місцевості, де протягом дня тепле повітря піднімається вздовж схилів, а вночі холодне повітря опускається в долини.

Повітря циркулює й внаслідок обертання Землі: рух відбувається в напрямку, протилежному руху годинникової стрілки в північній півкулі, та за напрямком руху годинникової стрілки – в південній.

Кінетична енергія вітрового потоку дорівнює

,2

2mA

де m – маса повітря, що рухається, кг; - швидкість вітру, м/с. Потужність вітрового потоку:

,2

3

FAP

де - густина повітря, кг/м3; F – площа, яку перетинає вітровий потік, м2; - швидкість вітру, м/с. Вітрове колесо, розміщене в потоці повітря, може у кращому випадку

теоретично перетворювати на потужність на валу 0,59 (критерій Больца) потужності потоку повітря, що проходить через площу перерізу. Насправді ККД нижчий і досягає для найкращих вітряних коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопаті 10 м за швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

113

Основними елементами вітроенергетичних установок є вітроприймальний

пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун.

Оскільки вітер може змінювати свою силу та напрямок, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю та безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвертання осі за вітром, нахилу лопотів відносно землі за критичної швидкості вітру, системи автоматичного відключення для установок великої потужності.

Вітроустановки виробляють енергію практично без забруднення довкілля, але вплив на нього мають: відведення під будівництво значних територій, зміни ландшафту, шумові ефекти, радіоперешкоди.

114

Принципова схема вітроустановки

Кінетична енергія вітру в межах території України перевищує нинішнє

виробництво електроенергії приблизно в 150 разів, тільки ресурси суші, які реально можна використовувати на сучасному рівні вітротехніки перевищують ці обсяги вдвічі. Звичайно більші ресурси можливо залучити, використовуючи вітроелектричні станції водного базування, насамперед на морі, де вітри сильніші та стабільніші. Приміром, лише вітровий потенціал Сиваша дозволяє виробляти електроенергії в 1,5-2 рази більше, ніж сучасні обсяги її виробництва на Україні. Найбільшу перевагу для будівництва ВЕС віддають таким регіонам, як Крим, Карпати, узбережжя Чорного та Азовського морів, Донбас.

Біоенергетика.

Біомаса. У біоенергетиці як одне з можливих джерел поновлюваної енергії

використовується біомаса. Сюди слід віднести всі види рослин, рослинні відходи сільськогосподарського виробництва, деревообробної промисловості. Найчастіше біомасою є солома, відходи переробки зерна під час обмолоту, відходи деревини, опале листя, гілки дерев, побутові відходи тощо.

Як відомо утворення біомаси зумовлене виробленням у клітинах рослин вуглецю за рахунок процесу фотосинтезу за схемою:

.666 2612622 OOHСOHCO світло

115

Щороку завдяки фотосинтезу утворюється така кількість біомаси, що її сухий залишок еквівалентний 220 млрд. т., що перевищує світову потребу в паливі приблизно в 10 разів.

Біопаливо має низьку енергетичну здатність порівняно з органічним паливом і з ним важче працювати.

Приблизне значення теплотворності біопалива (ккал/кг) можна визначити з виразу q = 4100 – 45d, де d – вологість біопалива в %. Отже, для біопалива з вмістом вологи 40% теплотворність може становити близько 2300 ккал/кг.

Недоліком біомаси як палива є відносно великий, порівняно з іншими видами палива, вміст вологи.

Позитивним щодо біомаси є мала кількість після її спалювання утвореної води та її якість. Зола може бути використана як добриво.

Найбільш ефективними технологіями використання біомаси є термохімічні: метанове зародження, газифікація (піроліз), пряме спалення.

Отримання біогазу.

Біогаз – це суміш метану та вуглекислого газу, що утворюється в спеціальних реакторах – метантенках, обладнаних та регульованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану.

Енергія, яку отримують при спалюванні біогазу, може досягати від 60% до 90% енергії вихідного матеріалу.

Паралельний газифікатор

116

Отримання біогазу економічно виправдане та має перевагу, коли переробляється постійний потік відходів (стоки тваринницьких ферм, рослинних відходів тощо). Економічність полягає в тому, що немає потреби збирати відходи, організовувати та управляти їхнім поданням, при цьому видно скільки й коли буде одержано відходів.

Біогаз використовують для освітлення, опалення, приготування їжі, для приведення в дію механізмів, транспорту, електрогенераторів.

Геотермальна енергія.

Основним джерелом цієї енергії є постійний потік тепла з розжарених надр, напрямлений до поверхні Землі. Розрізняють чотири основні типи геотермальної енергії:

- нормальне поверхове тепло землі, яке використовується геотермальними тепловими насосами;

- гідротермальні системи, тобто резервуари пари, гарячої чи теплої води біля самої поверхні Землі (нині для вироблення електроенергії використовують саме ці ресурси);

- глибока коркова теплота, яка утримується під поверхнею Землі, але може не мати води;

- енергія магми, теплота, що накопичена під вулканами та кальдерами, іноді магма частково буває в розжареному стані.

Принципова схема геотермальної електростанції

Якби можна було використати 1% геотермальної енергії земної кори

(глибини 10 км), ми мали б таку кількість енергії, яка в 599 разів перевищувала б усі світові запаси нафти і газу.

117

Теплові помпи. Машина, яка поглинає теплоту з навколишнього середовища для того, щоб

передати її тілу з вищою температурою, називається тепловою помпою. У теплових насосах так само, як в холодильних машинах, здійснюється так

званий зворотний цикл передавання теплоти від джерела з низькою температурою до джерела з більш високою температурою.

Цикл Карно складається з ізотермічного процесу ДС Підведення теплоти QДС на низькому температурному рівні ТН, відповідає умовам теплообміну з навколишнім середовищем, ізоентропічного стиснення СВ, в процесі якого до робочого тіла підводиться робота WВС, ізотермічного процесу ВА відведення теплоти QВА на високому температурному рівні ТВ відповідно до умов теплообміну з простором, що нагрівається, та ізотермічного розширення АД, в процесі якого робоче тіло повертає енергію WАД, внаслідок чого до компресора подається зовнішня енергія W, яка дорівнює різниці енергій WВС і WАД.

Цикл Карно та принцип роботи ідеального теплового насоса.

Відношення корисної теплоти відведеної в процесі ВА, до витраченої

роботи називається коефіцієнтом перетворення енергії теплової помпи:

.HB

BBA

TTT

WQk

Дійсні коефіцієнти перетворення суттєво нижчі за теоретично можливі, що пов’язано з необхідністю процесів теплообміну в апаратах, а також їхньою недосконалістю.

QВС А В

Т

S

ТВ WАД ТН Д С

QДС

WВС

Е F

- робота - підведена теплота

118

Напівпровідникові світлодіоди Рухаючись через р-n-перехід світлодіода назустріч один одному, основні

носії заряду зменшують його товщину і забезпечують прямий струм. Енергія, що виділяється при рекомбінації, передається кристалічній решітці.

Цей процес супроводжується випромінюванням квантів з енергією hv, тобто проходження прямого струму через р-n-перехід світлодіода супроводжується свіченням.

Отже, дія напівпровідникових світлодіодів ґрунтується на рекомбінаційному випромінюванні. Їх називають інжекторними або люмінесцентними. Остання назва зумовлена тим, що при роботі світлодіода відбувається електролюмінесценція - перетворення енергії електричного струму на світлову енергію.

Залежно від обраного матеріалу та ширини закритої зони напівпровідника виникає випромінювання у видимій, інфрачервоній або ультрафіолетовій частині спектру.

Як же було відкрито це надзвичайно важливе явище — електролюмінесценцію напівпровідникового р-n-перехід.

При вивченні теми «Електричний струм у різних середовищах» учнів ознайомлюють із властивостями напівпровідників та їх практичним застосуванням.

Широке практичне застосування напівпровідникових світлодіодів вимагає розгляду їхніх властивостей.

Що собою являють напівпровідникові прилади? Світлодіод — спеціально сконструйований напівпровідниковий прилад, що

створює некогерентне оптичне випромінювання певного спектрального складу при проходженні через нього прямого струму.

Ім'я Олега Володимировича Лосева, на жаль, відоме вузькому колу спеціалістів. Його ж внесок у розвиток радіотехніки дуже знадний.

О.В.Лосєв народився в 1903 році у м. Тверь. Ще навчаючись у п'ятому класі реального училища, він серйозно почав займатися радіотехнікою в своїй домашній майстерні.

Поштовхом до таких занять став виступ начальника місцевої телеграфної станції В.М. Ліщинського з лекцією про безпровідну телеграфію та зустріч із видатним радіоспеціалістом того часу професором В.К. Лебединським.

У 1917 році Лосєв закінчує школу і мріє стати радіотехніком, тому подає документи до Московського інституту зв'язку.

В інституті він навчався всього один місяць, потім переїхав до Нижнього Новгорода до своїх учителів, серед яких був ВЛ. Лебединський.

О.В.Лосєв наполегливо працював у місцевій радіолабораторії. Тут він вивчає властивості кристалічного детектора, що прийшов на зміну когереру, а в 1922 році відкриває гетеродинний прийом сигналів з використанням напів-провідникового приладу. Явище, яке при цьому спостерігалося, було прообразом транзисторного ефекту. Лосєву вдалося виявити вузьку спадну ділянку

119

характеристики, що викликає самозбудження коливального контуру. Зрозуміють і теоретично опишуть його значно пізніше.

Це видатне відкриття дало змогу створити простий приймач без ламп та батарей живлення.

Лосєв розробив ряд радіосхем приймачів з генеруючим кристалом, не патентуючи жодного. Кристал був виготовлений із благородного цинкіту, а контактом була сталева голка.

Результати своїх досліджень він опубліковує в різних журналах, за що отримує схвальні відгуки учених різних країн світу.

У 1923 році, експериментуючи з детектуючим контактом карборунд — стальна дротина, Олег Лосєв помітив, що в місці дотику різних матеріалів з'являється слабке свічення. Так було відкрито один із найперспективніших винаходів в електроніці — електролюмінесценцію напівпровідникового переходу.

Свічення багато разів вивчалося на контактах різних матеріалів, при різних температурах та електричних резонансах. В одній зі статей О.ВЛосєв пише: «Можна розрізнити два види свічення: свічення І — зеленкувато-блакитне з яскравою маленькою точкою; свічення П — яскраво флуоресціює значна поверхня кристала».

Тільки через декілька десятиліть з'ясували, що в кристалічній решітці карборунда в результаті випадкового введення атомів інших елементів виникали активні центри, в яких відбувалася інтенсивна рекомбінація носіїв заряду, в результаті чого випромінювалися кванти енергії.

Лосєв зробив інший дуже важливий висновок: свічення відбувається без виділення тепла, інерція виникнення і зникнення світла дуже мала. Тепер ці властивості характерні для сучасних світлодіодів, індикаторів, випромінювачів інфрачервоного світла.

Дослідження Лосева визнані за кордоном. Його праці друкували перспективні іноземні журнали, а його відкриття називають «свіченням Лосева». З'явилися перші спроби практичного вико-ристання винаходу.

Лосєв отримав патент на світлове реле, але слабка матеріально-технічна база і недостатній технологічний розвиток не дозволили за життя вченого знайти практичне використання його винаходу.

Практичне застосування ефекту свічення Лосева розпочалося наприкінці 50-х років минулого століття.

Спочатку було створено фосфідо-галієвий світлодіод червоного свічення. За ним — карбідокремнієвий, що давав жовте свічення.

У 60-ті роки фізики і технологи створили зелений і помаранчевий світлодіоди. На початку 80-х було створено синій світлодіод.

120

О. Лосєв випередив своїх сучасників. Його заслуга полягає не тільки у відкритті детекторного свічення, а й у тому, що він поставив проблему. Це було могутнім поштовхом у зародження нового напрямку електроніки — напівпровідникової оптоелекгротехніки, за якою майбутнє.

Вимірювання прямого струму через світлодіод. Складають коло за схемою на мал. Замикають коло, попередньо

встановивши ручку потенціометра в середнє положення. Вимірюють струм через світлодіод. Спостерігають за свіченням діода. Змінюючи опір потенціометра, регулюють струм через діод. Спостерігають за свіченням діода.

Вимірювання прямого струму.

Для оцінки опору р-n-переходу світлодіода при прямому проходженні

струму складають коло за іншою схемою. Ручку потенціометра встановлюють у середнє положення. Замикають коло. Вимірюють напругу та силу струму. Знаходять опір р-n-переходу. Збільшують або зменшують напругу. Знову визначають опір р-n-переходу. Порівнюють значення.

Оцінка опору світлодіода.

121

З успіхом світлодіоди можна використовувати при проведенні практичної роботи «Знаття вольт-амперної характеристики діода».

Схема дослідної установки аналогічна попередній демонстрації. Ручку потенціометра ставлять у крайнє положення, що відповідає мінімальній напрузі. Замикають коло і повільно збільшують напругу, паралельно вимірюючи силу струму. Дані заносять до таблиці. Будують графік залежності І від U. Далі замінюють світлодіод на світлодіод іншого свічення і знову вимірюють І та U та будують графік.

Використовуючи світлодіоди, можна виготовити різні індикатори та прилади. Наприклад, прилад для визначення провідності розчинів. Опускають стержні у розчин і за свіченням світлодіода визначають провідність розчину. За свіченням можна порівнювати провідність різних розчинів. Чутливість приладу можна регулювати, зближуючи або віддаляючи стержні на певну відстань.

Прилад для визначення провідності розчинів.

1. Світлодіод. 2. Верхня частина пляшки (0,5—1 л). 3. Батарея 3 В. 4. Пробка. 5. Стержні (мідний дріт 01—2 мм).

Готуючи проект можна виготовити різні пристрої, в яких використовуються

світлодіоди. Наприклад, можна виготовити простий пробник.

122

Пробник

Приладом можна перевіряти діоди, транзистори, конденсатори, виявляти

наявність постійного і змінного струму. Пристрій являє собою підсилювач постійного струму на транзисторах V1,

V2. Перед початком роботи транзистори закриті і світлодіод VД2 не світиться. Якщо виводи з'єднати з електричним колом, опір якого менший за 500 кОм, світлодіод світиться. Яскравість свічення залежить від опору кола.

Налагодження приладу здійснюють так. Вимикають зі схеми резистор R4. До виводів приєднують резистор опором 470 кОм. Світлодіод повинен за-світитись. Якщо цього не сталося, потрібно замінити транзистори (на КТ3158 чи КТ315г). Після загоряння, підбираючи опір резистора R4 (його можна замінити на підстроювальний), встановлюють мінімальну яскравість. Якщо необхідно, в прилад можна ввести інші межі вимірювання опору, змінюючи їх за допомогою перемикача.

Провідність діодів і транзисторів перевіряють методом порівняння опору р—n-переходів. При приєднанні конденсатора діод спалахує, а потім гасне. Тривалість спалахів залежить від ємності конденсатора. Таким чином можна спостерігати за зарядкою конденсаторів ємністю від 4700 пФ.

Лічильник електричної енергії

ЦЭ68803В Лічильник нового покоління відповідає всім стандартам економії

електроенергії та енергозбереження. Схема електронна. Лічильник використовується для вимірювання активної електричної енергії в колах змінного струму. Схема вмикання – чотирьохпровідна для трьохфазних струмів.

Характерною особливістю лічильника є захищеність від похибок під час обліку та крадіжок енергії:

- при зміні напряму фазових струмів відносно фазових напруг;

123

- має підвищений захист від дії постійних магнітних полів відносно до вимог Держстандартів.

Лічильник прямого вмикання струмів навантаження захищений від впливу постійної складової на похибку вимірювань, має захист від впливу оточуючого середовища з робочими умовами застосування:

температура оточуючого повітря від -40°С до +55°С; відносна вологість повітря до 98%; частота вимірювальної мережі (50±2,5)Гц або (60±3)Гц; форма кривої напруги і струму синусоїдна, з коефіцієнтом

несиносуїдальності не більше 12%. Повна (активна) споживана потужність кола напруг лічильника при

номінальній напрузі, нормальній температурі, номінальній частоті не перевищує 8 В·А (0,7 Вт).

Поріг чутливості. Лічильника вимірює енергію потужності Р, Вт не меншу: ,1050 4

номPP де Рном - номінальне значення потужності, розрахованої по номінальним

значенням сили струму і напруги. Границя допустимого значення головної похибки δД, в процентах

дорівнює:

.5,0cos,1,0;0,1cos;05,0

,2max

max

ІІIІІІ

якщоном

номД

Мікрохвильова піч (МВ-4047С) Мікрохвилі являють собою форму енергії, аналогічну електромагнітним

хвилям, використаним у радіо й телевізійному мовленні й звичайному денному світлі зазвичай електромагнітні хвилі розповсюджуються назовні через атмосферу й зникають у просторі без сліду. Однак, у мікрохвильових печах є магнетрон, що сконструйований таким чином, щоб можна було використати енергію, що використовується у мікрохвилях. Електрика, що підводиться до магнетрона, використовується для генерації мікрохвильової енергії.

Ці мікрохвилі посилаються в зону приготування їжі крізь отвори усередині печі. У нижній частині печі розташований підніс, що обертається, або нерухомий.

Мікрохвилі не можуть проникати крізь металеві стіни печі, але вони можуть проникати через такі матеріали, як скло, порцеляновий папір – матеріали, з яких робиться посуд, безпечний для використання в мікрохвильовій печі.

Мікрохвилі не нагрівають посуд, у якому готується їжа, зрештою нагрівається від тепла, що генерується в їжі.

Мікрохвильова піч є яскравим прикладом використання енергозберігаючих технологій в побутовій техніці. Вона відповідає всім стандартам техніки безпеки та охорони навколишнього середовища. Як тільки дверцята відкриваються, піч

124

автоматично перестає генерувати мікрохвилі. При проникненні в їжу, мікрохвильова енергія повністю перетворюється у тепло, при цьому не залишається ніякої«залишкової енергії», що може зашкодити вам при вживанні їжі. У мікрохвильовій печі можна обирати 5 рівнів мікрохвильової потужності, що забезпечує максимальну гнучкість в управлінні приготуванні їжі. Рекомендують 5 рівнів потужності для приготування їжі, а саме високий з вихідною потужністю 150%, середній високий з вихідною потужністю 80%, середній з вихідною потужністю 60%, середній низький з вихідною потужністю 40%, низький – 20%, можна готувати будь-яку їжу у два етапи. На першому етапі їжа буде готуватися 11 хвилин на високому рівні потужності, другому етапі - 35 хвилин, на рівні потужності 320W.

Технічні характеристики Мікрохвильової печі МВ-4047С: Джерело живлення 230В/50Гц Вихідна потужність 800Вт Частота мікрохвиль 2450МГц Мікрохвилі 1200 Вт Гриль 1000 Вт Комбі 2150 Вт

Екологія енерговикористання

Екологічна ситуація в регіонах України Сучасна екологія – наука про виживання людства. Практична екологія це: наука про охорону та раціональне використання природних ресурсів; наука про соціально-економічні фактори впливу на довкілля; наука про технологічні фактори забруднення довкілля. На стан екологічної ситуації на Україні впливають певні еколого-

географічні проблеми: зменшення запасів корисних копалин; зміна структури земельних ресурсів унаслідок вилучення земель під

господарські потреби й забудови, а також через розвиток негативних процесів у ландшафтах (ерозії, образії, карсту, суфозій та просідання ґрунтів, підтоплення та заболочення, тощо;

зниження родючості ґрунтів внаслідок вимивання гумусу, засолення, підтоплення, забруднення важкими металами, пестицидами та й іншими речовинами;

зменшення запасів і забруднення поверхневих та підземних вод унаслідок посиленого водозабору, внесення забруднюючих речовин у водні об’єкти в процесі виробництва й ведення комунального господарства;

забруднення повітря та зміна його складу внаслідок промислових та інших викидів в атмосферу;

125

скорочення розмаїття рослинного й тваринного світу та зміни в його генофонді;

зменшення біологічної продуктивності ландшафтів; погіршення гігієнічних та санітарно-епідеміологічних умов

життєдіяльності людини та існування живих організмів.

Вплив техногенних викидів на стан атмосфери Атмосфера – газова оболонка Землі. Життя людей проходить у нижніх

шарах атмосфери, але виробнича діяльність людей впливає на стан всієї атмосфери, а наслідки впливу відчуває усе живе на Землі.

Атмосферу поділяють від рівня моря на чотири шари. Границі шарів атмосфери відповідають характерним змінам температури газів.

Проміжки між атмосферними шарами називаються паузами, яким відповідають мінімуми та максимуми температури. Існують такі атмосферні шари і паузи:

тропосфера (найближчий до землі шар) – 12 км; тропопауза (температура – 56,5ºС); стратосфера – від 12 км до 50 км; стратопауза – температура – -2,5ºС; мезосфера – від 50 км до 85 км; мезопауза – температура – -93ºС; термосфера, у якій на висоті 110 км температура зростає до -15ºС,

а на висоті 120 км до +61,27ºС. По висоті тиск атмосфери неухильно зменшується: якщо на рівні поверхні

Землі тиск складає 101325 Па, то на висоті 50 км – 79,8 Па, на висоті 200 км – 1,32·10-4 Па.

На поверхні Землі атмосфера в основному складається з озону, кисню, аргону, вуглекислого газу, інших компонентів.

Вміст компонентів визначається у мольних долях. Один моль – це кількість хімічного елемента, яка містить 6,022·1023 атомів (молекул) – число Авогадро.

Маса одного моля у грамах дорівнює кількості атомних одиниць маси елемента.

молівкількістьсумарнакомпонентамолівкількістьмасаМолярна

126

Склад сухого повітря атмосфери на висоті рівня моря

Компонент Хімічна формула

Вміст молекул, доля

Молекулярна маса

Азот N2 0,78084 28,013 Кисень O2 0,20948 31,998 Аргон Ar 0,00834 29,948

Двоокис вуглецю CO2 0,000336 44,009 Неон Ne 0,00001818 20,183

Метан CH4 0,0000005 16,043 Водень H2 0,0000005 2,0159

Субокис азоту N2O 0,0000005 44,013 Вміст озону О3, двоокису сірки SO2, двоокису азоту NO2, аміаку NH3,

окису вуглецю СО дуже малий і змінний залежно від території. Парціальний тиск конкретного компонента пропорційний його мольній

долі і визначається як добуток мольної долі на повний атмосферний тиск. Склад атмосфери змінюється по висоті – важчі молекули займають нижні

шари, легші – верхні. Стан зовнішніх шарів атмосфери суттєво впливає на умови життя на

поверхні Землі. Зовнішні шари захищають планету від потоків сонячного і космічного випромінювання та частин високої енергії. Під впливом цього випромінювання (енергетичного потоку) у зовнішніх шарах проходять хімічні перетворення молекул і атомів компонентів атмосфери.

Зміна складу атмосфери обумовлюється дифузійним розділом (легкі атоми і молекули займають віддалені шари; наприклад, на висотах 500-1000 км визначальним компонентом атмосфери стає гелій, а інших атомів і молекул майже немає.

Ультрафіолетові випромінювання мають достатньо енергії, щоб викликати хімічні перетворення. Енергія фотона дорівнює

E = hν, де h=6,625·10-34 (Дж·с) – стала Планка. ν – частота випромінювання, Гц. Ультрафіолетове випромінювання має діапазон частот ν = (8,0·1014 –

1017)Гц. Найважливіший з процесів, які проходять у верхніх шарах атмосфери під

впливом випромінювання – фотодисоціація – розрив молекулярних зв’язків. Наприклад, молекулярний кисень О2 під дією випромінювання

розкладається на атомний кисень О, для чого молекула повинна поглинути 495 (кДж/моль) енергії. Значення енергії, що викликає дисоціацію, називається енергією дисоціації.

Енергія дисоціації молекулярного азоту N2 значно більша від енергії дисоціації кисню О2 в атомарний О поблизу стратопаузи, а на висоті 130 км в атмосфері відсотковий склад атомарного і молекулярного кисню – 50/50, а на висоті 400 км існує лише атомарний кисень.

127

Вода у верхніх шарах атмосфери також дисоціює за такою реакцією: H2O(газ) + hν → H(газ) + ОH(газ) ОH(газ) + hν → H(газ) + О(газ)

У верхніх шарах атмосфери води практично немає. У 1924 році у верхніх шарах атмосфери було виявлено електрони, які там

появляються внаслідок фотоіонізації. Для іонізації атом (молекула) повинен поглинути енергію, яка достатня для подолання притягальної сили ядра. Ця енергія називається енергією іонізації.

Процеси іонізації: N2 + hν → N2

+ + e-

O2 + hν → O2+ + e-

NO2 + hν → NO+ + e-

O + hν → O+ + e-

Фотони, здатні іонізувати молекули, відносяться до ультрафіолетової

частини спектру. У стратосфері і мезосфері зіткнення молекул О2 з атомарним киснем

приводить до утворення озону О3 О + О2 → О3

* знак * означає, що молекула має надлишкову енергію і якщо вона її не віддасть, то процес буде зворотним. Найактивніше озон утворюється у мезосфері. Молекули озону поглинають фотони і розпадаються, але вони виконують захисну функцію – поглинають випромінювання з довжинами хвиль 200÷1140 нм. Рослини та живі організми не можуть існувати на Землі за наявності таких випромінювань. Тому „озоновий щит” має надзвичайно важливе значення для збереження життя на Землі.

В результаті утворення і розпаду озону енергія високочастотних випромінювань перетворюється у теплову, тому й збільшується температура у стратопаузі.

Техногенний вплив на стан „озонового щита”

„Озоновий щит” починається на висоті 5 км, має найбільшу товщину на висоті 25 км і його товщина зменшується до нуля на висоті 50 км. Оскільки на таких висотах літають надзвукові літаки, в двигунах яких виникає газ NO, що руйнує озоновий шар:

О3 + NO → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2 O3 + O → 2O2

Зменшення товщини озонового шару зумовить підвищення рівня ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі.

Вплив фреонів.

Фреони застосовують у холодильній техніці, аерозольних балонах тощо. Ці сполуки інерційні і у нижніх шарах атмосфери не вступають в реакцію. Але у

128

верхніх шарах під впливом випромінювання порушується зв’язок між атомами Cl та вуглецю С.

СFxCl(4-x) + hν → CFxCl(3-x) + Cl На висоті 30 км така реакція проходить дуже інтенсивно. Атомний Cl

активно реагує з озоном, внаслідок чого утворюється оксид хлору ClO, який відновлюється після зустрічі з атомним киснем і знову вступає в реакцію з озоном:

Cl + O3 → ClO + O3 ClO + O → Cl + O2

Таким чином здійснюється реакція, що зумовлює інтенсивне руйнування озонового шару.

Вчені вважають, що під впливом хлорфторвуглеводнів наступило руйнування і утворення озонових дір в районі Антарктиди. Зменшення вмісту озону на 1% призведе до збільшення захворювання на рак шкіри на 5-6%.

Забруднення атмосфери.

Хімічні сполуки CO2, CO, CH4, NO, O3, SO3, що попадають в атмосферу можна розглядати, як забруднювачі повітря.

Причини появи сполук сірки в атмосферному повітрі є природні явища (вулканічна діяльність) та діяльність людини;

Промислові процеси (виплавлення сірчаної кислоти); Спалювання органічних палив (вугілля, мазуту); Лісові пожежі (як правило через недогляд людей)

Основним забруднювачем повітря сполуками азоту є енергетичні установки, де спалюють вугілля чи мазут. Вміст сірки у цих родовищах залежить від родовищ. Наприклад, нафта з Близького Сходу має малий вміст сірки, а нафта з родовищ Венесуели – великий.

Сполуки сірки мають надмірний вплив: - на здоров’я людей (ураження дихальних шляхів); - на рослинність територій; - на металеві конструкції.

Основними сполуками сірки в атмосфері є SO2, та SO3 – триоксид сірки, який утворюється при окисленні SO2 у присутності каталізаторів – металів, що викидаються з газами у вигляді золи. Триоксид сірки реагує з водою і внаслідок цього утворюється сірчана кислота H2SO4. Крапельки цієї кислоти опускаються на землю і вигляді “Кислотних дощів”.

Наслідками цих процесів є: нищення рослин; зменшення (вимирання) риб у водоймах; пришвидшення корозії металів(дахів на інших конструкцій); руйнування залізних виробів.

Якщо одночасно з SO2 в атмосферу попаде й аміак NH3, то в атмосфері утвориться гіпосульфіт амонію NH4(HSO4) або сульфіт амонію (NH4)SO4, що проявляється у вигляді димки (смогу).

129

Основним способом зменшення викидів сполук сірки в атмосферу є очищення палива від сірки та очищення від димових газів.

Основними сполуками азоту в атмосфері є монооксид азоту NO та діоксид NO2. Монооксид утворюється у двз та у пічних установках у процесі спалювання рідкого палива, а також при роботі газотурбінних установках. У повітрі монооксид NO окислюється до NO2.

Діоксид азоту сполучається з краплинами води і утворюється азотна кислота HNO3. У повітрі утворюються аерозолі – завислі крапельки рідини і дрібних частинок. Утворюється смог – їдучий туман, що складається з дрібних крапельок кислоти.

При неповному згорянні палива утворюється монооксид вуглецю СО. Найбільшим забруднювачем атмосфери є теплові електростанції та транспорт. СО повільно окислюється до утворення СО2.

Найбільший негативний вплив цього газу пов’язаний з руйнуванням молекул гемоглобіну – білку, що є „транспортним засобом” для кисню в крові. Вдихання газу СО викликає приступи та розвиток серцевих хвороб.

Зміну клімату на Землі пов’язують з концентрацією СО2 в атмосфері. У земній атмосфері вуглекислий газ діє як скло в парнику: пропускає сонячне випромінювання на Землю і затримує тепло розігрітої Сонцем Землі. Це явище отримало назву „парникового ефекту”.

Забруднення води.

Практично всі джерела прісної води забрудненні чи спотворені діяльністю людей. Розрізняють хімічне, фізичне, біологічне і теплове забруднення.

Хімічне забруднення – наслідок скидання у водогони стічних вод з домішками неорганічної (кислоти, солі) та органічної (нафта, нафтопродукти, миючі засоби, пестициди, тощо) природи.

Більшість викидів хімічного забруднення є токсичними для мешканців водойм. Хімічні речовини акумулюються в організмах і спричиняють незворотні зміни. Органічні сполуки, утворюючи плівку на поверхні води, перешкоджають газообмінові між водою і атмосферою, внаслідок чого знижується вміст кисню у воді. Осідаючи на дно, органічні сполуки у процесі гниття утворюють шкідливі сполуки, особливо сірководень.

Фізичне забруднення – збільшення вмісту суспензій та інших нерозчинних домішок, що погіршують прозорість води. Суспензії попадають після змиву ґрунту полів та внаслідок роботи підприємств гірничої промисловості. Це погіршує умови фотосинтезу водяних рослин, погіршує смакові якості води, забиває зябра риб тощо.

Теплове забруднення – наслідок спуску у водойми теплих вод від енергетичних установок. Підвищення температури впливає на мешканців водойм:

1) до 26ºС – вплив не відчувається; 2) 26-30ºС – пригнічення життєдіяльності риб;

130

3) Понад 30ºС – шкідлива дія на живі організми водойм; 4) 34-36ºС – гине риба та інші живі організми.

Біологічне забруднення – надходження до водойм мікроорганізмів, рослин і тварин (віруси, бактерії, гриби, черв’яки), яких раніше тут не було. Частини їх є шкідливими для здоров’я людей, тварин, рослин. Серед таких забруднювачів першість займають житлово-комунальні стоки. Забруднювачами промислового характеру є підприємства харчової промисловості, шкірообробні та цукрові заводи. Особливо небезпечними є такі забруднення в місцях масового відпочинку людей.

Екологія води

1.Витратами води мало хто рахує, оскільки розрахунки здійснюються за

нормативами. Тому вода в кухні, у ванні, туалеті може текти годинами. А питною водою в нас поливають огороди, теплиці, миють автомобілі, або

дороги, перуть білизну. Для економії води потрібно встановити лічильники, прилади обліку,

упорядкувати крани, сантехніку і все устаткування водопостачання. 2. Пам’ятати: Вода капає з крана – 24 літри за добу, 720 літрів за місяць; Вода тече з крана – 144 літри на добу, 4000 літрів на місяць; Вода тече в туалеті – 2000 літрів на добу, 60000 літрів на місяць. Замінити старі крани на сучасні крани-букси з металокерамічними

елементами. 3. Застосування якісних розпилювачів на змішувачах і душових установках

дозволяє комфортно користуватись водою при вдвічі меншій витраті. 4. Заміна металічних водогінних труб метало пластиковими, щоб запобігти

корозії. 5. Найбільші витрати води мають місце в санвузлі. Причиною витоків у

ватерклозетах часто є наліт на клапані і в його гнізді, тому необхідно регулярно чистити бачок, промивати клапани та видаляти наліт.

Енергозбереження в Хмельницькій області

Комплексна обласна програма енергозбереження – це система

цілеспрямованих обґрунтованих заходів (організаційних, науково-технічних, освітніх, пропагандиських та інформаційних) з енергозбереження (раціонального та економного використання паливно-енергетичних ресурсів і води), направлених на виконання стратегічної Державної політики, яка виражена в Законі „Про енергозбереження”, Комплексній державній програмі енергозбереження, Указах Президента України, постановах та дорученнях Кабінету Міністрів України, рішеннях та рекомендаціях Державного комітету України з енергозбереження для отримання, на користь мешканців області, реальних результатів зменшення енерговитрат на одиницю продукції, робіт,

131

послуг в суспільному виробництві, а також зменшення загальних енерговитрат на одиницю виміру у бюджетній сфері та житлово-комунальному господарстві.

Основна мета Програми:

зменшення енергоємності виробництва продукції, надання послуг та проведення робіт;

зниження частки дефіцитних видів палива у паливно-енергетичному балансі, в тому числі природного газу та нафтопродуктів;

досягнення в області економії енергоресурсів в середньому 3-5% щорічно по галузях та по районах і містах;

удосконалення регіонального механізму управління енергозбереженням та енергоефективністю;

розробка системи енергетичного моніторингу.

Основними шляхами досягнення цілей є:

здійснення активної державної політики енергозбереження в області; створення організаційно-правової бази енергозбереження на обласному

та районному рівнях управління; удосконалення ринкових механізмів, які сприяють підвищенню рівня

ефективності використання палива та енергії; структурна перебудова народногосподарського комплексу області, яка

спрямована на зменшення частки енергоємних підприємств; орієнтація на впровадження малоенергоємних технологій та обладнання; підвищення рівня ефективності використання місцевих паливно-

енергетичних ресурсів; ефективне використання вторинних енергоресурсів; використання нетрадиційних джерел енергії; впровадження сучасних систем та приладів обліку споживання

енергоносіїв тощо.

Оцінка енергоефективності економіки області Не приділяється достатньої уваги впровадженню малозатратних

організаційних заходів енергозбереження. Майже не використовуються багато вже готових до застосування енергозберігаючих та енергогенеруючих технологій. В першу чергу це стосується технологій малої енергетики: вітрової, сонячної, біоенергетики. Лише частково (менше ніж на 10%) використовується гідроенергетичний потенціал водних ресурсів області. Не розроблено жодного проекту когенерації теплової та електричної енергії, наприклад, шляхом переводу котелень на режим малих теплоелектроцентралей або спорудження мікро-ТЕЦ на основі ріпакового (рослинного) пального, спалювання нетрадиційного органічного палива (відходів сільськогосподарської продукції).

132

В електроенергетиці все ще залишається багато невирішених питань. Енергетична система та економіка області в цілому несуть значні збитки від технічних втрат енергії в лініях електропередач, особливо напругою 0,4 та 10 кВ живлення споживачів АПК, від несвоєчасної оплати та крадіжок електроенергії.

В будівельному секторі економіки області не вирішеними є дві проблеми: теплопостачання та збереження теплоти у нових і у раніше збудованих приміщеннях. Щодо останніх, то тут не визначено навіть шляхів їх реконструкції з позицій вимог до теплозбереження. У новому будівництві все ще застосовуються енергозатратні технології. Далекими від досконалості залишаються спроби використання теплоізулюючих матеріалів. Немає підстав вважати енергоефективними металопластикові вікна. А спорудження дахів з металочерепиці (в усякому випадку, як це робиться у нас) взагалі відноситься до енергозатратних технологій. Помітно великими залишаються витрати в системах генерації та передачі теплової енергії.

Відносно велика питома енергоємність валового внутрішнього продукту в Хмельницькій та інших областях.

Пріоритетні напрямки та перспективні заходи з енергозбереження

Електроенергетична. Заплановані заходи передбачають: впровадження систем (відповідно потреби) комерційного і

технологічного обліку електроспоживання; раціоналізацію експлуатації енергетичного обладнання електромереж; скорочення власних потреб електроенергії; диспетчеризацію та телемеханізацію електрогосподарств, підприємств; зменшення втрат при розподілі електричної енергії; впровадження нових енергозберігаючих технологій виробництва

енергії. Теплопостачання. Головні напрямки енергозбереження – заміна морально застарілих та

фізично зношених котлів на нові з більшим ККД, використання сучасних методів антикорозійного захисту теплових мереж та ефективних теплоізоляційних покриттів трубопроводів, використання теплоутилізаторів.

Машинобудування. Напрямком збереження паливно-енергетичних ресурсів на машинно-

будівних підприємствах передбачають: використання сировини, матеріалів та комплектуючих виробів високої

якості; впровадження нових технологій і енергозберігаючого обладнання

(електричне шліфування, електроіскрова і електрохімічна обробка металу, електропроменеве і дифузійне зварювання, холодне

133

штампування і гаряче накочування, використання джерел концентрованого електронагріву та інші);

удосконалення існуючих технологічних процесів і енергообладнання; використання швидкорізальних інструментів, заміна обробки різання

точним штампуванням, удосконалення конструкції і термоізоляції нагріваючих печей (АСУ ТП), впровадження регульованого електроприводу, утилізація вторинних ресурсів, заміна фізично та морально застарілого енерготехнологічного обладнання, використання економічних видів прокату, неметалічних труб, впровадження гнучких ліній поточного виробництва тощо.

Легка та харчова промисловість. Основні напрямки підвищення рівня ефективного використання

енергоресурсів у цих галузях пов’язані з: широким запровадженням нових технологій та енергоощадного

устаткування; використання ефективних систем освітлення та опалення; утеплення приміщень; технічним переозброєнням заводів з переробки молока та м’яса,

впровадження сучасних технічних процесів нагріву, охолодження, випарювання, конденсації молокопродуктів, удосконалення процесів їх сепарації, термічної обробки, розливу та зберігання;

впровадження автоматичних систем контролю та управляння технологічними процесами.

Агропромисловий комплекс. Реалізація потенціалу енергозбереження і підвищення рівня

енергоефективності в сільському господарстві здійснюється за рахунок: оптимізації структури посівних площ, виведення з експлуатації малопродуктивних еродованих угідь та створення на них пасовищ, заміна весняної пахоти поверхневою обробкою ґрунту, впровадження енергозберігаючих технологій вирощування окремих сортів зернових, оптимізація режимів сушіння зерна, впровадження сучасних технологій приготування кормів тощо.

Транспорт. Енергозбереження на транспорті доцільно передбачити: за рахунок збільшення парку автомобілів вантажопідйомністю до 2

тонн; експлуатації автомобілів, що працюють на стисненому та скрапленому

газі та спиртово-бензинових сумішах; використання автомобілів з поліпшеними аеродинамічними

характеристиками кузовів; використання нових економічних двигунів;

134

використання автоматичних систем управління рухом. Житлово-комунальний та побутовий сектор. Основними послугами тут є забезпечення потреб паливно-енергетичних

ресурсів і води. Вартість цих послуг порівняно з 1990 р. зросла більше ніж у 10 разів. Проте значного скорочення використання ПЕР і води не сталося.

З метою забезпечення економного споживання природного газу, тепла та води потрібно оснастити наявний житловий фонд засобами обліку та регулювання споживання води і теплової енергії в кожній квартирі, будинку та на виробництві.

На даний час в Україні виробляється а також постачається достатня кількість засобів обліку енергоресурсів. Це сучасні електронні лічильники теплової і електричної енергії з класом точності 0,2…1, які вимірюють, фіксують кількість і якість енергії.

Застарілі типи лічильників газу, що не відповідають вимогам сучасних стандартів або з класом точності більше 1 вимагають обов’язкової заміни на сучасні, з вищим класом точності.

Нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії. Вітроенергетика. Вітропотенціал Хмельницької області характеризується дещо нижчими від

середніх рівнями напорів та швидкостей вітру по Україні. Конструкції найбільш поширеного нині вітроенергетичного обладнання

забезпечують сприятливі економічні показники експлуатації ВЕС за середньомісячної швидкості вітру, виміряної на висоті 10 м, в межах більше 5м/с. Близький до такого рівня вітропотенціал спостерігається в південних районах області, наприклад, у Новоушицькому районі.

В останні роки налагоджується виробництво вітротехніки, використання якої завдяки високим вежам (до 100 м) дає змогу економічно ефективно генерувати електричну енергію на площадках з середньою швидкістю вітру 4-5 м/с, завдяки чому перспективними для спорудження ВЕС можуть бути 50-70% території Хмельниччини.

В Україні налагоджене серійне виробництво вітроагрегатів потужністю 5-20 кВт.

Згідно плану спорудження пілотних енергетичних об’єктів, які використовують поновлювані джерела енергії Хмельниччини, планується впровадження 20 вітрових водопідйомних установок ВЕУ 14/20 та спорудження ВЕУ потужністю 1500 кВт в районі станції Дунаївці.

Відповідно до завдань регіональної Програми, сумарні потужності ВЕС в області станом на кінець 2010 р. мають становити не менше 10 МВт.

Мала гідроенергетика. Подальший розвиток гідроенергетики Хмельниччини вбачається

можливим, переважно, за рахунок гідроенергії малих річок.

135

Головною перевагою малої гідроенергетики є дешевизна електроенергії генерованої на гідроелектростанціях. Уже відновлено три ГЕС на річці Збруч загальною потужністю 2,14 МВт, планується відновити Мислятинську ГЕС на річці Горинь потужністю 1,0 МВт.

Гідротехнічний потенціал малих рік Хмельницької області: – загальний потенціал – 304 млн. кВт год. / рік.

Є обґрунтовані пропозиції використання насосних установок замість гідротурбін, що може помітно зменшити витрати на обслуговування ГЕС. Складено план відновлення ряду недіючих ГЕС, споруджених на малих річках області в 50-60 р.р.

Сонячна енергетика. Доцільність використання сонячної енергії на території Хмельницької

області зумовлюється середніми рівнями сонячної радіації та наявністю власної розвиненої промислової інфраструктури, підготовленої значною мірою для швидкої організації виробництва сонячних енергетичних установок, в першу чергу сонячних колекторів, систем пасивного сонячного обігріву будівель, гарячого водопостачання та опалення, комбінованих сонячно-паливних котелень.

Потенціал сонячної енергії на території складає: - загальний потенціал – 24,3·109 МВт/рік; - технічний потенціал – 11,6·107 МВт/рік; - доцільно-економічний потенціал – 180 млн. кВт·год/рік.

Заплановано будівництво в Хмельницькій області 20 сонячних колекторних систем гарячого водопостачання площею по 100 м2, для фінансування будівництва яких необхідно 1100 тис. грн. з фондів енергозбереження, охорони довкілля і місцевих бюджетів.

Варіанти технологій сонячного опалення та підігріву води нині почали застосовувати у житловому будівництві.

На базі діючих та тих, що споруджуватимуться, дахових котелень виглядає корисним створення сонячно-паливних станцій з попереднім підігрівом води параболоциліндричними чи параболоїдними концентраторами сонячного випромінювання.

Теплові насоси. Теплонасосні установки доцільно використовувати для задоволення

базового теплового навантаження за наявності природних чи техногенних джерел низькопотенційної теплоти з температурою 5-40°С і вище, коли на 1 кВт·год затраченої електроенергії може вироблятися у 3,5-4,5 рази більше теплоти з параметрами, достатніми для теплопостачання. У цих умовах теплонасосні установки як за енергетичними, так і за приведеними витратами конкурентоспроможні навіть з високоекономічними котельними установками.

Планом передбачено розробку проектної документації на спорудження теплонасосної станції потужністю 5 МВт для теплопостачання м. Хмельницького за рахунок відбору тепла з річки Південний Буг, та розробка проектної

136

документації на спорудження систем теплопостачання потужністю 20…40 кВт /теплових/ для опалення шкіл, адмінбудівель, об’єктів соцкультпобуту.

В Україні накопичено значний досвід розробки теплових насосів, виробництва і створення систем з їх використанням.

На підприємствах різних галузей в Україні експлуатується кілька десятків теплонасосних установок сумарною тепловою потужністю близько 10 МВт.

Останнім часом інтерес до використання теплонасосних установок значно зріс, особливо щодо їх застосування в безперервних технологічних процесах сушіння, випарювання, обігрівання приміщень з використанням енергії і оборотних систем водопостачання.

Найбільше значення для енергетичної галузі може мати створення тепло насосних станцій (ТНС), що утилізують низько потенційну енергію очищених стічних вод великих міст, води річок, озер. Так у місті Хмельницькому з чисельністю населення близько 300 тис. чол., потужність теплонасосних станцій на стічних водах може досягти 20 МВт. Це дасть змогу зменшити споживання палива системами теплопостачання на 30 тис. тонн в умовних одиницях. На Кам’янець-Подільській ТЕЦ доцільна утилізація скидної теплоти за допомогою теплових насосів.

На системи опалення підстанцій електричних мереж в області витрачається значна кількість електроенергії. В той же час утилізація теплових втрат трансформаторів від трансформаторного масла з температурою 20-40°С за допомогою теплових насосів дасть змогу повністю покрити потреби підстанцій в тепловій енергії на обігрівання та гаряче водопостачання. При цьому з теплових втрат трансформаторів можна утилізувати до 5 млн. кВт·год/рік, що забезпечить відповідну економію електричної енергії.

Значна частина будівель в організаціях різних форм власності, що використовують для теплопостачання електричну енергію, планується забезпечити теплонасосним устаткуванням або реверсивними кондиціонерами, які утилізують скидну енергію або енергію довкілля.

Нетрадиційні види палива. До них можна віднести біогаз, біомасу, відходи та надлишкову сировину

сільськогосподарських та переробних підприємств, лісового господарства. Біогаз можна отримати анаеробним переробленням рідких стоків і відходів

сільськогосподарських та харчових підприємств. Біогаз має значні ресурси – до 0,79 млрд. м3 на рік.

Потенціал тваринницької сільськогосподарської біомаси в Хмельницькій області складає:

- кількість гною – 16,5 млн. т.; - заміщення органічного палива – 790 тис. г. у. п.; - вихід біогазу – 632 млн. м3.

Досвід Данії та США свідчить, що використання анаеробних систем очищення стоків тваринництва для виробництва електроенергії і постачання її в електромережу забезпечує незбитковість експлуатації цих систем і прибуток. В

137

Кам’янець-Подільському районі запропоновано будівництво біоенергетичного комплексу для отримання 1400 тис. м3 біогазу в рік на базі комплексу молочно-тваринницької ферми на 1200 голів худоби. Ряд електростанцій можна побудувати на біогазі, який можна вилучати із сміттєзвалищ великих міст.

Використання біомаси Для вироблення теплової і електричної енергії за досвідом багатьох країн

можна використовувати біомасу. Так, у США ця частка становить майже 7 % від загального виробництва енергії.

Потенціал біомаси у Хмельницькій області складає: - біомаси зернобобових культур – 1480 тис. МВт·год/рік; - біомаса соняшника – 6 тис. МВт·год/рік; - біомаса кукурудзи – 2940 тис. МВт·год/рік; - біомаса овочів – 330 тис. МВт·год/рік.

Річний об’єм деревинних відходів підприємств лісового господарства для використання у вигляді палива складає 28,3 тис. м3/рік.

Енергозбереження в результаті використання відходів у вигляді палива складає 5,6 тис. т.у.п./рік.

Такі види біомаси, як солома та стружка деревини, будуть у значних обсягах використовуватись для технологічних потреб, зокрема, виробництва меблевих плит, целюлози, паперу, а тому їх використання в енергетиці має націлюватися на невеликі (до 0,1 МВт) ТЕЦ для сільських районів.

Згідно плану спорудження в регіонах України пілотних енергетичних об’єктів, що використовують нетрадиційні джерела енергії, в Хмельницькій області заплановано розробити проектну документацію та спорудити 5 котелень потужністю до 3 МВт (теплових) для спалювання соломи.

В лісовому господарстві можна одержати велику кількість брикетів для механізованих енергоустановок місцевих систем теплопостачання.

Важливим резервом енергозбереження є використання горючих промислових і побутових відходів сміттєзвалищ для вироблення теплової та електричної енергії (із застережень щодо спалювання будь-яких відходів із пластика). До місцевих, нетрадиційних видів палива відноситься й пальне рослинного походження (наприклад, ріпакове) з використанням його для автотракторної техніки.

Акумулювання енергії Потрібно мати пристрої та обладнання, які узгоджують графіки

вироблення та споживання енергії – накопичувачі, акумулятори енергії та зв’язку джерел енергії з енергосистемою.

В області розроблена і впроваджується програма економного опалення „Електронік”, якою передбачено встановити в 1244 приміщеннях тепло накопичувальне електроопалення, яке споживає електричну енергію і акумулює теплову в нічний час.

138

Енергія – основа людського життя

Енергія є основою життя людського суспільства, і його прогресивний розвиток, пов’язаний із безпосереднім зростанням енергоспоживання. Це споживання зросло протягом ХХ століття більш ніж у 100 разів, при цьому органічного палива було спалено у багато разів більше, ніж за весь попередній час. Які перспективи очікують нас у XXI столітті?

Людство все більше усвідомлює свою відповідальність за збереження довкілля, за енергозбереження. Науково-технічний прогрес, підвищення комфортності життя і пов’язане з ним енергоспоживання – об’єктивні речі. Але це не означає, що вони мають досягатися будь-якою ціною. Використання лише традиційних джерел енергії (нафти, газу, ядерного палива) руйнує і забруднює землю, водні ресурси і повітря. Разом із ним понад 1 КВт на кожний квадратний метр постійно забезпечує нам удень світло невичерпного, екологічного бездоганного і загальнодоступного джерела – Сонця. Досягнення технології вже зараз дасть змогу використовувати його для вироблення електроенергії, вартість якої наближається до традиційної. Поряд інтенсивно розвивається в багатьох країнах також вітрова енергетика й енергетика біомаси, які споріднені сонячній. Сьогодні, поза сумнівом, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від стану її енергетики.

Будова біогазоенергетичної установки

(Агрофірма села Оленівки Дніпропетровської області) Біогазоенергетична установка виробляє за годину 170 кіловат-год.

електричної енергії і 320 КВт теплової енергії з відходів свинокомплексу. Тут протягом року відгодовують 40 тис. свиней.

Перша споруда – насосна станція. Підземними трубопроводами вона відкачує зі свинарників гній, доводить його до необхідної густини і подає в два заглиблені в землю відстійники, в яких утворюється газ, 70% якого – метан. Згораючи в котлі, він приводить в рух енерготурбіну, яка дає струм і пару (тепло).

Гній, який перебродив, потрапляє в цех. Тут щодоби закачують в резервуари 40 кубометрів зрідненого свинячого гною, одержують з нього субстрат, з якого за місяць мають 150 тонн сухого органічного добрива. А рідкі стоки – це аміачна вода. Зрозуміло, що все це йде на поля. Економічний ефект значний, оскільки біогазоенергетична установка дає змогу не лише освітлювати та обігрівати тваринницький комплекс з усіма його підсобними дільницями, а й забезпечує належну охорону навколишнього середовища, а це економить близько 353000 гривень природоохоронних витрат. Установка виробляє за рік майже 500-600 тисяч кіловат-годин. Неважко підрахувати економічну вигоду, особливо за нинішніх підвищених тарифів на електроенергію.

139

Шляхи для підвищення ефективності та економії енергії в побуті У Франції більшість сімей забезпечені мікрохвильовими пічками для майже

миттєвого розігрівання заморожених і повністю готових до вживання продуктів. Інженери та виробники цієї країни, вирішуючи проблему енергозбереження, виготовили індукційний стіл, на якому звичним для жінок способом можна користуватися сковорідками та іншим начинням для готування їжі: стіл весь час залишається зовсім холодним, бо нагрівається лише страва і частина дна сковорідки. Ці «столи» використовують індуктивні струми і мають рекордний коефіцієнт корисної дії (96%) й велику потужність. До того ж вони зовсім безпечні для дітей та дорослих.

Сотні тисяч будинків у Західній Німеччині як опалювальну систему вживають так звані теплові помпи – варіант кондиціонера, сконструйованого для нагрівання приміщень за рахунок тепла, відібраного від середовища (переважно водойм). На кожну кіловат-годину використаної для роботи компресора електроенергії така помпа передає будинок додатково ще кілька кіловат-годин теплової енергії. У нас з подібними пристроями лиш починають експериментувати. Як відомо, це робиться в Криму, неподалік від його звабливих пляжів.

Котли опалювальні газові стальні типу «Данко»

Котли призначаються для теплопостачання індивідуальних житлових будинків і сфери комунально-побутового призначення обладнаних системою водяного опалення з примусовою або природною циркуляцією. Робочий тиск до 0,2 МПа. Максимальна температура на виході з котла до 900С. В котлах «Данко - 8В», «Данко-24Вх» вмонтовано водопідігрівач для гарячого водопостачання на господарські потреби.

Коефіцієнт корисної дії досить високий і складає 92%, що сприяє економії газової енергії. Котел оснащено автоматикою експлуатації, регулювання та техніки безпеки. Терморегулятором з допомогою автоматики можна ставити потрібну для споживача температуру.

Приклади розв’язування задач на енергозбереження.

Задача 1 Визначте розрахункову потребу тепла на опалення житлового будинку

1982 року забудови зі зовнішнім об’ємом 10 тис. м3? За даними таблиці річні витрати на одиницю об’єму у Вт/год забудови

після 1981 р. складають: 35,3 Вт/год. Тоді річна потреба тепла становили: Qр = 35,3+10000 = 353000 кВт/год = 303 Гкал.

140

У випадку, якщо середня температура за опалювальний сезон є іншою, то проводиться перерахунок шляхом множення результату на коефіцієнт

Х= ,6,18

18)6,0(18

18 .... pcpc tt

tс.р.- фактична температура опалювального сезону.

Задача 2 Визначити витрати тепла на гаряче водопостачання будинку зовнішнім

об’ємом 10000 м3, у якому проживає 300 осіб. Витрати будинку на опалювальний сезон становитимуть Qг.в.оп. = 7,3 · 3500 · 191 = 418 тис. кВт/год = 360 Гкал. А у неопалювальний сезон Qг.в.ноп. = 5,8 · 300 · 174 = 302 тис. кВт/год = 360 Гкал. У випадку, якщо вода подається не цілодобово, а на протязі 6-10 год.

щодня, то витрати зменшаться до 0,83 від початкових і становитимуть відповідно 347 та 285 тис кВт/год.

Сумарна потреба тепла на опалення та гаряче водопостачання будинку становитиме:

Q = 288 + 347 + 250 = 885 тис кВт/год = 761 Гкал. Примітка: У тепловому секторі витрати тепла на централізоване гаряче

водопостачання визначається за нормативом витрати води з температурою 55º С. для теплових будинків обладнаних ваннами довжиною 150-170 см об’єм становить 105 л на особу у добу. Виходячи з цього, нормативні місячні витрати тепла на літрів води становить:

у опалювальний сезон – 7,3 кВт/особу/добу; у неопалювальний сезон – 5,8 кВт/особу/добу. Згідно норм КТМ середня тривалість опалювального сезону в області

триває 191 добу, а середня температура за опалювальний сезон – мінус 0,6º С.

Задача 3. Скільки електроенергії можна зекономити в Україні за один день, якщо

кожна сім’я на 1 годину менше користуватиметься електричною лампочкою потужністю 100 Вт. В Україні приблизно 10 млн. сімей.

(Учні розв’язують задачу на місцях у групах). Розв’язок перевіряємо на дошці (там вже є розв’язок, але попередньо закритий).

Дано: P = 100 Вт W = p · t · N W = 100 Вт · 3600 с · 107 = 3,6 · 1012 Дж t = 1 год або у кВт · год: W = 106 кВт · год N = 107 1 кВт · год – 0,156 грн

W-? Ця електроенергія буде коштувати: 156 · 103 грн

156 тис. грн.

141

Отже ми можемо в масштабах України зекономити 1 млн. кВт · год. або 156 тис. гривень за одну годину!

Задача 4. Скільки можна зекономити кам’яного вугілля, користуючись даними

задачі 1, за умови, що лише 30% енергії палива перетворюється на електричну

енергію (Питома теплота згоряння кам’яного вугілля q=30·106 Джкг ).

Дано:

q=30·106 Джкг m =

Qq m =

3,6·1012 Дж0,3 · 30·106 Дж/кг = 0,4 · 106 кг =

W = 3,6 · 1012 Дж Q = W0,3 = 400 · 103 кг = 400 т.

W = 0,3 Q m = W

0,3 q

m-?

Задача 5.

Підрахуйте кількість витраченої електроенергії при роботі

баштового крану протягом робочої зміни, який рівномірно підіймає

вантаж масою 0,6 т зі швидкістю 20 м/хв. Сила струму в

електродвигуні при цьому 19 А, а робоча напруга 380 В.

Визначте ККД крану. Робочу зміну вважати рівною 8 год.

W = A = UIt

[W] = В х А х С = Дж/Кл х А х С = Дж

{W} = 360 x 19 x 8 x 3600 = 207936 x 1000;

W = 206 МДж

η = (А корисн./А викон.) х 100% =

(F х S)/(U x It) = mgV/U x I

{η} = (6000 х 1/3 х 100)/(380 х 19) = 27,7;

η = 28%

m = 0,6 т = 600 кг

V = 20 м/хв = 1/3 м/с

I = 19 A

U = 380 В

t = 8 год. = 8 х 3600 с

W = ?

η = ?

142

Задача 6.

На клемах зварювальної ел. машини підтримується напруга 60 В. Опір дуги 0,4 Ом. Розрахуйте вартість ел. енергії, що витрачається при зварюванні, якщо зварювальний апарат працює 4 години.

A = U х I х t = (UxU/R) x t (тобто за законом

Ома I = U/R)

{А} = {W} = (60 x 60 x 8)/0,4= 72000

W = 72 кВт години

с = 15,6 коп х 72 = 1123 коп = 11,23 грн.

Задача 7. Домашній пилосос має потужність 500 Вт та працює при напрузі 220 В. Визначте: а) силу електричного струму, що споживається; б) витрату ел. енергії за 30 хвилин роботи пилососа; в) вартість витраченої енергії Скільки нафти потрібно витратити, щоб забезпечити роботу пилососа протягом заданого часу? ККД ел. станції 25%.

P = UI => I = P/U; {I} = 500/220 = 2,3; I = 2,3 A

∆W = A = Pt; {∆W}= 500 x 0,5 = 250

∆W = 0,25 кВт год.

с = 15,6 коп х 0,25 = 3,9 коп = 4 коп

1 кВт год. = 3,6 х 106 Дж

∆W = 3,6 x 106 x 0,25 = 0,9 x 106 (Дж)

η = ∆W/mq =>

{m} = (0,9 x 106)/(0,25 x 45 x 106) = 0,08

m = 80 г

U = 60 В

R = 0,4 Ом

t = 4 год.

Вартість с - ?

тариф 15,6 коп за 1 кВт годину

Р = 500 Вт

t = 0,5 год.

U = 220 В

η = 0,25

q = 45 х 106 Дж/кг

I - ?

W - ?

c - ?

m - ?

143

При вивченні теплових двигунів за темою теплові явища ми казали, що паливо повністю не згорає. Викиди відпрацьованого або не повністю згорілого палива в атмосферу створюють для нас екологічні проблеми.

Висновок: (учні повинні зробити самі) Економія електрики вигідна також і для рішення екологічних проблем.

Задача 8. Електрочайник увімкнули в мережу з напругою 220 В. Опір нагрівального

елементу 38,7 Ом. Визначте: а) потужність ел. струму, що витрачається чайником;

б) Кількість ел. енергії, що використовується чайником для нагрівання 2 л води від 20°C до кипіння;

в) Час, витрачений на нагрівання води, якщо вважати, що уся ел. енергія пішла на нагрівання води;

г) Кількість марно витраченої енергії, Якщо 0,5 л води википіло.

P = U x I = U2/R, так як за законом Ома I = U/R {P} = (220 x 220)/38,7 = 1251 P = 1,25 кВт Q1 = cm (t°2 – t°1) = срV1(t°2 – t°1) {Q1} = 4200 x 1000 x 2 x 10-3 x 80 = 672000; Q1 = 672 кДж [Q] = (Дж/кг°C)(кг/м3°C) = Дж Q2 = pV2 x L {Q2} = 1000 x 5 x 10-4 x 2,3 x 106 = 11,5 x 105; Q2 = 1,2 МДж За законом збереження енергії Pt = cpV1(t°2 – t°1) => t = (cpV(t°2 – t°1))/P

{t} = (4200 x 1000 x 2 x 10-3 x 80)/1251 = 537 t = 9 хвилин

Як часто трапляється у вашому житті, коли забувши про все на світі, ви, увіткнувшись в ПК або в книгу, забуваєте про поставлений на ел.плиту чайник? Добре, якщо це електрочайник з автоматичним відключенням при закипанні. Але дуже часто ми витрачаємо при нагріванні води на чай зайву електроенергію!

Задача 9.

Пральна машина потужністю 400 Вт під час прання працювала загалом 90 хвилин. Визначте вартість витраченої ел.нергії.

U = 220 В R = 37,8 Ом V1 = 2л = 2 х 10-3м3 р = 1000 кг/м3 t1 = 20°C t2 = 100°C V2 = 0,5л = 5 х 10-4м3 с = 4200 Дж/кг°C P = ? Q1 = ? t = ? Q2 = ? L = 2,3 x 106 Дж/кг

144

W = A = P x t {W} = 400 x 1,5 = 600 W = 0,6 кВт год. с = 15,6 коп. х 0,6 = 9 коп.

Задача 10.

Ліфт масою 240 кг підіймається на h = 25м за t = 40 сек., працював під напругою 220В, η = 90%. Знайдіть силу струму в дротах та ел..енергію, яка була витрачена.

η = (mgh)/U x I x t => I = (mgh)/ηUt {I} = (240 x 10 x 25)/(0,9 x 220 x 40) = 7,6 I = 7,6 A W = A = U x I x t {W} = 220 x 7,6 x 40 = 66880 W = 66,9 кДж

Задача 11.

Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання однієї склянки води (200 г) до кипіння; повного чайника (3 л)? Скільки газу потрібно затратити для цього в першому і другому випадку?

Дано:

32

1

003,03

2,0200

млVкггm

------------------------------

кгДжqСкгДжс

мкгCt

CtmmQQ

o

o

6

0

3

2

1

'2

'1

21

10444200

1000100

20

??

??

P = 400 Вт t = 1,5 год. W = ? вартість с - ? тариф 15,6 коп. за 1 кВт год.

m = 2400 кг h = 25м t = 40 с η = 0,9 U = 220 В I = ? W = ?

145

Розв’язання:

кгкгДжДжmкгкгДжДжm

qQmmqQДжССкгСкгДжQ

кгммкгmVm

ДжССкгКкгДжQttcmQ

оо

оо

0229,0104410080000015,0104467200

1008000)20100(342003003,01000

67200)20100(2,04200)(

6'2

6'1

1'

02

332

22

1

12

Відповідь:

кгmкгmДжQДжQ

0229,0;0015,0

;1008000;67200'2

'1

21

Висновок: Аналізуючи знайдені відповіді, звертаю вашу увагу на те, що не завжди кожен із нас економно витрачає паливо. Якщо, збираючись до школи, нагріваємо повний чайник, а використовуємо лише частину, то деяка кількість палива витрачається марно. Пропоную практично довести правильність цього твердження. Підрахувати марні витрати природного газу знайденими результатами.

кгкгкгmmmm

0214,00015,00229,0'

'1

'2

'

Відповідь: кгm 0214,0'

Логічна вправа. Якщо маємо невиправдані втрати, то якою могла б бути економія? (Готуючи мінімальну кількість окропу, ми тим самим економимо 0,0214 кг природного газу). Знаючи густину природного газу, 38,0 мкг ,та вартість споживання грнм 175,01 3 за лічильником, визначити економію палива в грошових одиницях (гривнях) для однієї людини, населення України. Дано: 3

1 8,0 мкг Вартість грнм 175,01 3 Розв’язання:

146

??

47700000

1

у

y

економіяекономіяn

грнгрнекономіяпекономіяекономія

грнгрнмекономіявартістьVекономія

ммкгмVmVVm

у

уу

23850047700000005,0

005,0175,00268,0

0268,08,00214,0

1

31

'

333'

Відповідь: грнекономія 005,01 ;

грнекономіяу 238500

Рівневі завдання та задачі на енергозбереження.

І рівень 1. У якій каструлі вода закипить швидше:

а) у відкритій чи закритій покришкою? б) у блискучій чи закіптюженій?

2. Скільки коштує 1 год роботи телевізора потужністю 250 Вт? 3. Інколи в квартирі нагріваються штепсельні розетки, вилки, вимикачі.

Яка причина цього явища? Які його економічні наслідки? 4. За показами квартирного електролічильника визначте використання

електроенергії за кожний день протягом тижня. Побудуйте графік витрати електроенергії, проаналізуйте його. Від чого залежить більша витрата енергії в ті чи інші дні? Запропонуйте способи можливої економії.

5. Улітку повітря в будинку нагрівається різними способами, дістаючи енергію крізь стіни, відчинене вікно, в яке входить тепле повітря, крізь скло, яке пропускає сонячну енергію. З яким видом теплопередачі маємо справу в кожному випадку?

6. Чому велика посудина з водою, поміщена у льох, захищає овочі під замерзання?

7. Який будинок тепліший: цегляний, дерев'яний чи металевий? Чому? 8. Чому в холодну погоду багато тварин сплять, згорнувшись у клубок? 9. Земля безперервно випромінює енергію в космічний простір. Чому ж

вона не замерзне? 10. Чому дрова з твердих порід (дуб, бук) ціняться вище, ніж дрова з м'яких

порід (осика, сосна)? 11. Питома теплота згоряння соснових дров більша, ніж березових. Чому ж

147

тоді за однакової ціни вигідніше купувати березові дрова, а не соснові? 12. Як утеплити кімнату, щоб зимою не мерзнути? 13. Який грунт - глинистий чи піщаний має більшу теплопровідність? 14. Який грунт більше прогрівається сонячним промінням: чорнозем чи

підзолистий? 15. Для чого тваринам потрібні шерсть, птахам - пір'я, пух? 16. Чому не знижується рівень океану, якщо кожного року з його поверхні

випаровується шар води завтовшки 1 м? 17. У якому взутті більше мерзнуть ноги взимку: в просторому чи тісному?

Чому? 18. Для чого проводять снігозатримання на полях? 19. У якому одязі влітку менш парко: у світлому чи темному? Чому? 20. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання однієї склянки води (200

г) до кипіння; повного чайника (3 л)? Скільки газу потрібно спалити в першому і другому випадках? Чи завжди ви економно використовуєте паливо, якщо нагрієте повний чайник води, а використовуєте лише склянку?

21. Органи пожежного нагляду не рекомендують перевозити бензин у поліетиленових каністрах, а лише в металевих. Чому?

22. Чому літакам, ракетам надають обтічної форми? 23. Чому існують відпливи і припливи? Чому їх вважають нетрадиційним

джерелом енергії? 24. Запуск штучного супутника Землі обходиться дуже дорого для країни.

Чому ж їх так багато запускають? 25. Коли повз будинок проїжджає автомобіль, віконне скло починає

деренчати. Чому? 26. Яку енергію має вітер? Як її практично використати? 27. Для чого в автомобілях призначені амортизатори? 28. Електричний чайник має два нагрівальні елементи, з'єднані паралельно.

Якщо увімкнути в мережу перший елемент, вода закипить через 30 хв, якщо ввімкнути другий, - через 20 хв. Через який час закипить вода, якщо ввімкнути обидва елементи? Порівняйте витрату енергії в усіх трьох випадках.

29. Усі паровози (ККД ≈ 7 %) були замінені тепловозами (ККД ≈ 28 %). Скільки умовного палива (у %) економиться в результаті такої заміни?

30. У післявоєнний період майже в усіх країнах для збільшення в містах проїзної частини вулиць були повністю або частково зняті трамвайні лінії (трамваї замінені автобусами).Чому тепер спостерігається тенденція до відновлення трамвайного руху?

31. Чому в радіатори тракторів, автомобілів, комбайнів треба заливати прісну воду?

32. Надземне чи підземне зберігання цистерн з пальним забезпечує більшу його економію?

33. Чому бочка для зберігання бензину повинна закриватися пробкою з

148

гумовою прокладкою, причому дуже щільно? 34. Підраховано, що коли для заправки бензином використовувати відро, то

за рік втрати пального (на 1 автомобіль) складають до 200 кг. Які причини цих втрат?

35. Чи випаровується бензин узимку? 36. З якою метою цистерни на нафтобазах і бензовозах фарбують

«сріблянкою»? 37. Відомо, що за допомогою масла можна захистити воду від

випаровування. Як це зробити? Чому ж не вдається вберегти бензин від випаровування за допомогою дизельного масла?

38. Який опір лінії електропередачі, якою передається потужність 0,15 МВт, якщо за сили струму 10 А втрати на нагрівання проводів становлять 2%?

39. Яка втрата потужності на двопровідній електролінії з опором 1 Ом, якщо споживач електроенергії потужністю 2,1 кВт працює під напругою 210В?

40. Якої сили струм повинен текти в лінії електропередачі, щоб втрати на нагрівання проводів не перевищували 3 % при передачі потужності 60 кВт, якщо опір лінії дорівнює 18 Ом?

41. Визначити втрату потужності та кількість виділеної протягом 1 год теплоти у підвідних електропроводах з опором 0,5 Ом за сили струму 4 А.

42. В яких елементах електричної системи є втрати електроенергії? 43. З яких причин світильники в процесі експлуатації знижують

світловіддачу? Як цьому запобігти? 44. Навести приклади економії електроенергії в трансформаторах,

електромережах, двигунах, побуті. 45. Які переваги поновлюваних джерел енергії порівняно з традиційними?

ІІ рівень 1. Трамвайний вагон освітлюється п'ятьма лампочками, ввімкненими

послідовно. Чи зменшиться витрата електроенергії, якщо кількість лампочок зменшити на одну?

2. У топці ТЕЦ щосекунди спалюють 20 кг торфу, теплота згоряння якого дорівнює 1,5·107 Дж/кг. Скільки тонн кам'яного вугілля, теплота згоряння якого становить 3·107 Дж/кг, замінить цю кількість торфу?

3. Під час купівлі холодильника покупцеві запропонували на вибір дві моделі, технічні характеристики яких однакові, за винятком вартості холодильника та споживання електроенергії. Перша модель коштує 2600 грн., друга - 2800 грн. Електричної енергії за рік вони споживають відповідно на 80 грн і 50 грн. Який холодильник вигідніше взяти?

4. Пилосос, потужність якого дорівнює 50 Вт, працює за напруги 220 В. Визначити: а) силу струму, що споживається; б) опір; в) витрату електричної енергії за 30 хв.

149

5. Чому під час роботи на токарному чи свердлильному верстаті неправильно заточеним або затупленим інструментом збільшується витрата електроенергії?

6. На затискачах дуги зварювальної електричної машини підтримується напруга 60 В. Опір дуги — 0,4 Ом. Обчисліть витрати електричної енергії для зварювання протягом 4 год.

7. Прісну воду з морської можна отримати двома способами: ви-морожуванням і випаровуванням. Який із цих способів вигідніший?

8. При центральному паровому опаленні температура і пари, яка надходить, і води, яка відводиться, дорівнює 100 °С. Як же обігрівається приміщення? Чому в жилих будинках застосовується не парове, а водяне опалення?

9. Нерідко у квартирі без погреби світяться лампочки (навіть удень), увімкнені радіоприймач і телевізор, яких ніхто не слухає і не дивиться. Прикиньте, у що обходиться таке марнотратство.

10. У квартирі є дві електричні лампочки на 60 Вт і дві - на 40 Вт. Кожною з них користуються 3 год на добу. Визначте вартість енергії, спожитої лампочками за один місяць (30 днів).

11. Запишіть потужність наявних у вашій квартирі електроприладів, орієнтовний час їх роботи протягом тижня. Обчисліть вартість спожитої за тиждень енергії та порівняйте її з тією, що визначають за лічильником.

12. Чи впливає покриття (вид) стін на температуру в кімнаті? 13. Яку кількість електричної енергії можна зекономити, якщо замість

лампочки на 100 Вт увімкнути лампочку на 75 Вт, за умови, що лампочка світиться кожного дня по 4 год протягом року?

14. Чому плодові дерева, що ростуть поблизу моря, озера чи річки, рідко страждають від заморозків весною і восени?

15. Чому ККД нагрівальних приладів не може дорівнювати 100 %? 16. Де доцільніше спітнілій людині охолонути після інтенсивної роботи - в

затишку чи на протягу? 17. Чому зовнішні стіни будинку товщі, ніж внутрішні? 18. З якого матеріалу зроблені стіни, дах, підлога і стеля вашого будинку?

Чому саме вони використані для будівництва? 19. Для чого рекомендують зберігати бензин у підземних резервуарах? 20. На городніх грядках або під деревами в Японії розкладають смужки

блискучого поліетилену. Для чого це робиться? 21. У якому чайнику вода закипить швидше - у чистому чи закіптюженому?

Чому? 22. Які лампи вибрати для освітлення: люмінесцентні чи звичайні лампочки

розжарювання? 23. Чому треба мити забруднене пилом скло? 24. В електричній лампочці за напруги 220 В іде струм силою 0,5 А.

Визначте, скільки енергії втрачається за час вашого перебування у

150

школі, якщо, йдучи з дому, ви забули вимкнути таку лампочку. 25. Скільки можна зекономити електроенергії в країні за один день (місяць),

якщо кожна сім'я на 1 год менше користуватиметься електричною лампочкою потужністю 100 Вт щоденно. В країні приблизно 10 млн сімей.

26. З’ясуйте, чи є можливість в оточуючій вас обстановці зекономити електроенергію за рахунок своєчасного вимкнення споживачів струму? Скільки кіловат-годин електроенергії можна зекономити? Наведіть розрахунки.

27. Яка потужність тих електричних приладів, якими ви користуєтеся кожного дня вдома? Визначте, скільки енергії вони споживають за час роботи. Чи завжди ви економно користуєтеся цими приладами? Оцініть, скільки коштує ваше марнотратство (за місяць, за рік).

28. В автомобілях від акумуляторів до лампочок проведено лише один провід. Чому немає другого проводу?

29. У вас у квартирі вийшов з ладу водопровідний кран. Вода тонким струменем витікала 3 доби. Як приблизно визначити об'єм втраченої води?

30. Коли більше витратить водій бензину, - їдучи із зупинками чи без зупинок? Чому? Як ще можна зменшити витрату палива?

31. Чому космічний корабель, який відправляють на Місяць зі штучного супутника Землі, може не мати обтічної форми?

32. З якою метою вібруючі установки висотних будинків ставлять на спеціальні гумові амортизатори?

33. На Ніагарському водоспаді щохвилини падає 4,5·105 м3 води з висоти 50 м. Обчисліть потужність водоспаду.

34. Чому під час роботи на токарному чи свердлильному верстаті неправильно заточеним або затупленим інструментом збільшується витрата електроенергії?

35. На річках часто буксири ведуть баржі способом штовхання. Чому це економічно вигідніше, ніж тягти баржу на тросі?

36. У трамвайному вагоні для освітлення є п'ять ламп, з'єднаних послідовно. Як зміниться витрата електроенергії, якщо кількість ламп скоротити до чотирьох? Чи варто це робити?

37. Придумайте схему проводки, яка давала б змогу подзвонити з одного місця (наприклад, від дверей під'їзду) одночасно у три квартири, і вимагала найменшої витрати матеріалів.

38. Придумайте схему, щоб при відкриванні дверей у квартирі вмикалася сигнальна лампочка.

39. Побутовий холодильник потужністю 200 Вт у літню пору працює в загальному 4 год на добу. ККД холодильника становить 20%.Скільки електроенергії можна зекономити за добу, якщо використати кращий теплоізолятор і цим самим підвищити ККД холодильника до 40%?

40. На текстильних фабриках, якщо не вживати відповідних заходів, то

151

нитки прилипатимуть до гребків чесальних машин, плутатимуться і рватимуться. Що треба зробити, щоб звести до мінімуму ці неполадки?

41. Теплова електростанція витрачає 320 г умовною палива на виробництво 1 кВт·год електроенергії. Визначити ККД електростанції. Питома теплота згоряння умовного палива дорівнює 29 МДж/кг.

42. Теплова електростанція потужністю 1200 MBт працює на кам'яному вугіллі і має ККД 25%. Визначній добову витрату вугілля, якщо його питома теплота згоряння дорівнює 29 МДж/кг.

43. Електростанція передає потужність 2 ГВт під напругою 500 кВ. Визначній опір лінії електропередачі, якщо її ККД дорівнює 96% .

44. Місцева електростанція передає електроенергію потужністю 500 кВт. Яка втрата потужності в лінії електропередачі та який її ККД, якщо електролінія працює під напругою 6 кВ, а її опір становить 5 Ом?

45. Чому на електростанціях для підведення струму від генератора до підвищувального трансформатора використовують не круглі проводи, а спеціальні плоскі шини?

46. Над столом висить лампа. Як і чому зміниться площа і освітленість світлової плями на столі, якщо лампу підняти? Опустити? Як домогтися доброї освітленості стола при невеликій потужності лампи9

47. Коли електровоз іде під уклін, його двигуни не тільки не споживають енергію, а навпаки - направляють її в лінію. Як досягається такий економічний ефект?

48. До якого значення потрібно підвищити напругу в лінії електропередачі опором 36 Ом, щоб від електростанції потужністю 5 МВт було передано 95% електроенергії?

49. У таблиці наведені дані про виробництво електроенергії електростанціями (млрд. кВт·год).

1990 1991 1992 1993 1994 298,5 278,7 252,6 250,2 203,2 1995 1996 1997 1998 193,8 183,0 177,1 173,0 Проаналізувати динаміку виробництва електроенергії в Україні.

ІІІ рівень

1. Електронагрівник має два одинакові нагрівальні елементи, які можна вмикати в мережу окремо і разом. Як треба їх з'єднати, щоб нагрівання відбувалося якнайшвидше?

2. Накресліть схему електричного кола для освітлення довгого коридору, щоб людина, яка входить у коридор з будь-якого кінця, могла б увімкнути освітлення, а при виході через протилежний кінець - вимкнути.

3. Доведіть, що втрати електроенергії Q у лініях передач обернено пропорційні до квадрата напруги U, під якою передають енергію.

152

4. У майстерні щодня працюють по 7 год 5 електородвигунів потужністю 1 кВт кожний і 10 електродвигунів потужністю 2 кВт кожний. Обчисліть енергію, що споживається за місяць (24 робочі дні) роботи двигунів.

5. Хлопчик помітив, що протягом вечора в квартирі були ввімкнені: 5 лампочок (по 60 Вт кожна, час роботи 5 год), телевізор (100 Вт, час роботи 4 год), праска (800 Вт, час роботи 15 хв), пральна машина (500 Вт, час роботи 1 год) холодильник (400 Вт, час роботи 2,5 год). Обчисліть спожиту цими приладами електроенергію та її вартість, якщо 1 кВт·год коштує 15 коп. Чи можна вмикати ці прилади одночасно, якщо запобіжник у квартирі розрахований на 12 А? Напруга 220 В.

6. Користуючись лічильником, визначте і запишіть, скільки електроенергії споживається у вашій квартирі за тиждень (місяць). Протягом наступного тижня (місяця) намагайтеся економити енергію - вимикати, коли це можливо, електроприлади. Визначте, користуючись лічильником, скільки ви зуміли зекономити.

7. Радіатор опалення віддає свою теплоту холоднішому повітрю кімнати. Як розрахувати кількість теплоти, що отримує повітря від радіатора?

8. Під час оранки трактор Т-150 К спалює 20 л пального на 1 га, а трактор ХТЗ-17-021 – 18 л пального на 1 га. Скільки пального можна зекономити під час оранки поля площею 90 га трактором ХТЗ-17-021? Яку площу можна додатково зорати на зекономленому пальному?

9. Скільки потрібно дров, щоб нагріти 200 г і 2 л води від 20 °С до кипіння? Якщо ви випиваєте 1 склянку, а нагріваєте чайник, тобто 2 л, то скільки зайвих дров витрачається на нагрівання невикористаної води?

10. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання повітря у вашому будинку на 5°С? Скільки для цього потрібно дров, якщо ККД грубок дорівнює 1%? Питома теплоємність повітря становить 1000 (Дж/(кг·К)). Густина повітря — 1,29 кг/м3. Як зберегти тепло у вашому помешканні?

11. Внаслідок безгосподарського ставлення до збереження теплоти за сезон в одній квартирі втрачається така кількість теплоти, яку дає 7,5 кг вугілля. Скільки вугілля можна зекономити за сезон, якщо в країні 15 млн квартир?

12. Яку суму грошей можна зекономити на електроенергії, якщо замість лампочки 100 Вт увімкнути 75-ватну лампочку за умови, що лампочка ввімкнена 4 год на добу протягом року? Ціна електроенергії - 15 коп. за 1 кВт·год.

13. Який опік небезпечніший - від 1 г окропу чи від 1 г пари такої самої температури?

14. Молоко під час доїння корів має температуру 37°С. Для транс-портування його охолоджують до температури 4°С. Скільки теплоти виділяється при цьому, якщо середній удій молока становить 800 л? Питома теплоємність молока дорівнює 3,9 (Дж/(кг·К)), а густина — 1028 кг/м3. Скільки води можна нагріти за рахунок виділеної теплоти від 0 до 30°С, щоб використати її для обігрівання приміщення ферми?

153

15. Температура повітря в кімнаті розмірами 5 х 4 х 3 м знизилася за ніч від 20 до 16°С. Визначте кількість теплоти, віддану повітрям. Скільки газу треба спалити, якщо 50% енергії, виділеної під час згоряння палива, піде на нагрівання повітря до початкової температури? Питома теплоємність повітря становить 1000 (Дж/(кг·К)).

16. Тіло, маса якого дорівнює 200 г, кинули вертикально вниз із висоти 40 м зі швидкістю 10 м/с. Тіло впало на землю зі швидкістю 20 м/с. Визначте втрату енергії тілом у навколишньому середовищі.

17. В одному з типів кормозапарників для отримання 32 кг пари спалюється 14 кг сухих дров. Визначте ККД котла, якщо початкова температура води в ньому становить 18°С.

18. Визначте швидкість витікання струменя води з водопровідного крана. Оцініть добову витрату води з цього крана, якщо внаслідок недокручення гвинта з нього витікає струмінь води завтовшки із сірник.

19. Океанські течії Гольфстрім і Курасіо несуть відповідно 83 млн м3 і 85 млн м3 води за 1 с. Чи не можна використати кінетичну енергію води для перетворення її в електричну?

VІ рівень 1. Транспортер піднімає 200 кг піску на автомобіль за 1с. Довжина стрічки

транспортера дорівнює 3 м, а кут нахилу — 30°. ККД транспортера — 85 %. Визначити, яку потужність розвиває електродвигун транспортера.

2. Маса першої у світі ракети А. Засядька становила 2 кг (без порохового заряду). При старті з ракети викидалися порохові гази масою 200 г зі швидкістю 600 м/с. На яку найбільшу висоту могла залетіти ракета, випущена на рівні землі?

3. Три чоловіки несуть колоду. Один підтримує її ззаду, а два інші несуть, підклавши палицю на далекій відстані від кінця. Де треба підкласти цю палицю, щоб кожен з них відчував однакове навантаження?

4. Іноді в нафтових цистернах і баках для зберігання бензину застосовують плаваючі екрани з вигнутими краями. Яке призначення цих країв? Як вони впливають на втрати рідини внаслідок випаровування?

5. Електронагрівник має дві однакові спіралі, які можна вмикати в мережу окремо і разом. Як треба з'єднати спіралі, щоб нагрівання відбувалося якнайшвидше?

6. Доведіть, що втрати електроенергії Q у лініях передач обернено пропорційні до квадрата напруги U, під якою передають енергію.

7. Втрата потужності в лінії електропередач становить 5% потужності, яку отримує споживач. У скільки разів треба підвищити напругу на вході лінії і як треба змінити опір споживача, щоб знизити втрати в лінії у 5 разів?

8. Чому для виготовлення сонячних батарей застосовують силіцій, а не якийсь інший напівпровідник?

9. Яку кількість кам'яного вугілля можна зекономити за рік, якщо зменшити добове споживання електроенергії всього на 1 кВт·год?

154

10. Автомобіль здійснює прямий і зворотний пробіги зі швидкістю 72 км/год за швидкості вітру 15 м/с. Зважаючи, що витрата палива пропорційна до квадрата відносної швидкості повітря, оцініть відношення витрат палива при попутному вітрі і зустрічному.

11. Чи можна в електроплиті спіраль, розраховану на напругу 110 В, замінити половиною спіралі на 220 В, якщо обидві спіралі розраховані на однакову потужність струму? Чи дає така заміна однаковий тепловий ефект?

12. Турбіна потужністю 150 000 кВт на 13% економніша за турбіну потужністю 100 000 кВт (ККД = 0,3). Яку кількість кам'яного вугілля можна зекономити за рік, застосувавши цю турбіну?

13. У результаті заміни паровозів сучасними тепловозами (ККД яких відповідно становить 7 % і 28 %) економиться 75 % умовного палива. Доведіть це.

14. Визначити економію електроенергії (у відсотковому відношенні), якщо всі алюмінієві підвідні проводи і проводи ЛЕП замінити мідними.

15. Двопровідна лінія завдовжки 800 м від знижувального трансформатора виконана алюмінієвим проводом з площею поперечного перерізу 20,0 мм2. Приймачі електроенергії споживають потужність 2,58 кВт за напруги 215 В. Визначити напругу на клемах трансформатора і втрату потужності в цій електролінії.

16. На електростанції Дніпрогес-1 встановлено 9 генераторів загальною потужністю 650 МВт. Визначити секундну витрату води (в м3) кожною турбіною, якщо ККД турбінно-генераторного агрегату дорівнює 0,96, а напір води - 36 м.

17. ЛЕП завдовжки 250 км перебуває під напругою 400 кВ і розрахована на передавання потужності 200 МВт. Втрати потужності в лінії не повинні перевищувати 3% передаваної потужності. Якого найменшого перерізу алюмінієвий провід потрібний для такої лінії?

18. Обчислити втрату потужності та спад напруги на двопровідній лінії змінного струму, коли передається потужність 2,4 кВт за напруги 220 В. Довжина лінії дорівнює 175 м, проводи алюмінієві з площею поперечного перерізу 35 мм2. Який ККД цієї електролінії?

19. У скільки разів треба підвищити напругу джерела, щоб втрати в лінії зменшилися в п разів? Потужність, яку віддає генератор, вважати сталою.

20. З яким поперечним перерізом треба взяти провід для будівництва ЛЕП від електростанції до споживача загальною довжиною 4 км, щоб передати потужність 4 кВт? Напруга в лінії - 300 В, допустимі втрати в лінії - 8%.

21. Відомо, що сонячне проміння доносить до поверхні Землі потужність близько 1 кВт/м2. Зараз є прилади, що можуть переробити 10% цієї світлової енергії в електричну. Який електричний прилад можна живити такою електроенергією, добутою з 1 м2 площі?

155

Практична робота. Визначення температури вольфрамової спіралі лампи в робочому стані.

Обладнання: Електрична лампа. Омметр (авометр). Термометр. Опір провідника можна визначити за формулою R = R0 (1 + αtº), де R0 –

опір провідника при температурі 0º С, α – температурний коефіцієнт опору провідника, tº - температура провідника. Опір провідника при кімнатній температурі вимірюємо за допомогою амперметра. Кімнатний термометр покаже температуру спіралі tº, лампи при кімнатній температурі.

Опір спіралі в робочому стані можна знайти за потужністю лампи та її робочою температурою (ці дані можна знайти на кожній лампі):

;2

22

2

PUR

RUP

Щоб позбутися непотрібного нам значення R0, знайдемо відношення R1 до R2:

;11

)1()1(

2

1

20

10

2

1

tt

tRtR

RR

Знайдемо температуру спіралі лампи в робочому стані t2º:

1

12122

1221 )1()1(

RtRRRt

tRtR

α – температурний коефіцієнт для вольфраму – знаходимо з таблиці.

Практична робота. Розрахунок і випробування автоматичного регулятора температури.

Обладнання: терморезистор ММТ-4 (1,2 кОм), реле РП-5, авометр АВО-63,

батарея акумуляторів на 4-6 В (можна використати випрямляч змінного струму), внутрішній стакан калориметра з нагрівником, термометр до 100ºС, магазин опорів КСМ-4, електрична лампочка на 6,3 В, вимикач, з’єднувальні провідники.

Терморезистори використовуються як датчики термореле і терморегуляторів.

Дія термореле. При зміні температури терморезистора змінюється в ньому сила струму.

Якщо послідовно з терморезистором ввімкнути обмотку електромагнітного реле,

156

то зміна сили струму може викликати спрацювання реле. При цьому у виконавчому колі відбувається ввімкнення електричної лампи, дзвінка, сирени і т.п.

Схема №1.

При допомозі термореле відбувається не лише температурна сигналізація,

але й автоматична стабілізація температури – в різних технологічних пристроях, наприклад, в інкубаторах, у водонагрівних котлах і т.п. Це дає певний економічний ефект при споживані електричної енергії. Схема №1 є аналогом схеми автоматичної температурної сигналізації. Потрібно лише виконати дві додаткові вимоги. По-перше, терморезистор потрібно помістити в термостатний об’єм, наприклад, у водонагрівному котлі – це буде вода. По-друге, замість сигнального пристрою ввімкнути нагрівник Rн, розташувавши його поблизу терморезистора. Тоді при досягненні температури t1, при якій сила струму в колі терморезистора викличе увімкнення реле, нагрівник буде вимкнутий.

Схема №2.

157

Наступне охолодження води до збільшення опору терморизистора і до зменшення сили струму в обмотках реле. Коли цей струм зменшується наслідки, що при температурі t2<t1 реле спрацює і замкне коло нагрівача, почнеться підвищуватися температура до t1, потім відбудеться повторне її зниження до t2 і т.д. Як наслідок таких періодичних ввімкнень та вимкнень буде коливатися поблизу деякого середнього значення.

Магазин опорів Rм вживається для зміни опору і струму в колі терморизистора. При збільшенні опру Rм температура, до якої повинен нагрітись терморизистор, щоб реле спрацювало, стане більш високою, а при зменшені Rм реле спрацює при нижчій температурі.

Виконуючи роботу, учні повинні розрахувати, який опір Rм треба поставити на магазині опорів, щоб в колі терморизистора при температурі t1 пройшов струм, рівний струмові спрацювання реле Іспр.

Згідно закону Ома при замкнутих колах АВ

;pmt RRR

uIe

1

де u - напруга,

1tR - опір терморизистора при температурі t1 (знаходиться з графіка), Rp - опір обмотки реле.

Шуканий опір

tº t1 tсер

t2

t(час)

158

)( ptm RRIcpuR

Хід роботи 1. Вимірюють амперметром напругу батареї U і опір обмотки реле Rр. 2. Складаємо схему №2 і визначають струм, при якому реле спрацьовує,

шляхом поступового зменшення опору Rм до моменту загоряння лампочки. При цьому коли АВ для підімкнення амперметра не повинні бути закорочені.

3. знаходять за графіком опір терморизистора для заданої температури спрацювання, наприклад t1=50ºC.

R (кОм)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

10 20 40 80 120 t C

4. Розрахувати опір Rм за формулою

)( ptm RRIcpUR

1

5. Увімкнути джерело струму переконуємося в правильності виконаного розрахунку. При ввімкнення нагрівника свідчить загоряння лампочки, ввімкненої паралельно йому.

6. Розрахувати Rм для стабілізації температури t1=60ºC. При підготовці обладнання спіраль нагрівання беруть потужністю 6-8 Вт. Для підвищення чутливості реле РП-5 по струму обидві його обмотки з’єднуються паралельно. Обладнання для проведення практичної роботи є в наявності в фізичних лабораторіях шкіл

159

Додатки

Економія електроенергії при освітленні:

вимикати світло, якщо воно не потрібне; користуватись енергозберігаючими лампочками (при тій самій

світловіддачі вони споживають менше енергії); замінити лампочки потужністю 100 Вт на лампочки потужністю 75 або

60 Вт, або 2 лампочки по 60 Вт замінити на одну 100 Ватну; використовуйте люмінесцентні лампи замість ламп розжарювання

(люмінесцентна лампа має в 4-5 разів більшу світловіддачу і в 5-8 разів більший термін служби. Світловий потік люмінесцентної лампи 20 Вт дорівнює світловому потоку лампи розжарювання у 150 Вт);

під час роботи (виконання уроків, за швейною машиною тощо) використовувати місцеве освітлення (настільні лампи, торшери, бра);

при купівлі настільної лампи (світильника) звертайте увагу на наявність шарнірних чи гнучких з’єднань та наявність напівпровідникових регуляторів, за допомогою яких змінюється освітленість;

в разі необхідності замінити абажури на плафони, які добре розсіюють світло;

періодично мити плафони і віконне скло (запилюжене скло зменшує світловіддачу на 30%);

у сонячний день давати доступ в кімнату денному світлу – розсувати штори;

прибирати квіти з підвіконня (для покращення доступу денного світла); під час ремонту підбирати колір стін так. щоб вони найбільше відбивали

світло (біла стіна відбиває ~ 80% спрямованого на неї світла, темно-зелена ~15%);

під’їзди будинків можна обладнати автоматикою, яка вимикає освітлення якщо воно не потрібно.

Економія при користуванні побутовими електроприладами

Ми собі вже не уявляємо життя без побутових електроприладів, яких зараз налічується близько 400 найменувань. Але часто-густо ці прилади працюють без потреби. Так, якщо в Україні близько 20 млн. телевізорів, які працюють 4 год. на добу, то за рік вони споживають ≈ 2 млрд. кВт · год. електроенергії (312 млн. гривень). Скоротивши роботу телевізора на 5 хв. за добу можна за рік зекономити по Україні 41 млн. кВт · год. електроенергії (6,4 млн. гривень).

160

Для довідки: одного кіловата електроенергії достатньо для виробництва: 5 кг олії, 14 кг борошна, 30 кг хлібобулочних виробів, або для роботи: 50 год. слухати радіо, 110 год. голитися електробритвою, 17 год. світіння 60 Вт електролампочки, 12 год. роботи кольорового телевізора, 2 год. пилососити, прийняти 5-ти хвилинний душ, нагріти на 6ºС повну ванну води (150 л).

Познайомтеся з деякими правилами ощадливого користування побутовими електроприладами:

1. Холодильник якщо ви вирішили придбати новий холодильник краще вибрати

можливо більш дорогий, але той що споживає менше енергії (надалі він себе окупить);

встановлювати холодильник слід у прохолодному місці і не можна біля плит, батарей центрального опалення тощо (чим менша різниця температур у камері холодильника і зовні, тим краще), завжди між стіною і холодильником потрібно лишати повітряний зазор, щоб відбувалась вільна циркуляція повітря вздовж задньої стінки холодильника;

для зменшення витрати енергії холодильником потрібно своєчасно його розморожувати, слідкувати за станом ущільнювача дверцят, не тримати холодильник довго відкритим, не ставити на нього гарячу їжу, протирати раз на місяць теплообмінник холодильника від бруду, пилу та павутиння.

2. Пральна машина

завантажуйте машину завжди повністю (оскільки щомісячна потреба у пранні для родини з 4х осіб складає ≈ 22 – 25 кг, при повному завантаженні – 5 машин, а при половинному – 11 машин. Це приведе до економії ≈ 4,8 кВт · год. за місяць, а за рік 57,6 кВт · год. (≈ 9 грн.);

вибирайте програму прання відповідно до матеріалу виробів (на одязі є спеціальні бірки з позначеною на них температурою прання) та з урахуванням забруднення. Це дає можливість заощаджувати 30% енергії, 15 л води, ~ 20% прального порошку і 25% часу, а також берегти речі.

3. Пилосос

для ефективної роботи пилососа велике значення має ретельна очистка пилозбірника (для цього потрібно користуватись щітками);

краще пилососом користуватися тільки для чистки м’яких меблів, салону машини, а килими витрушувати на вулиці, зимою – чистити у снігу.

161

Збереження тепла в будинках

Внаслідок погано розроблених у 60-ті роки проектів будівель, наші будинки в середньому втрачають через вікна ~ 26,6%, крізь стіни будинку ~ 21,6% тепла.

Що стосується використання в побуті газу, то левова частина припадає на опалювання приміщень ~ (80-85%) і лише ≈ 15-20% на нагрівання води та приготування їжі.

Отже щоб економніше використовувати газ, потрібно добре утеплити наше житло. За сучасними технологіями можна вкрити стіни будинків ззовні пінопластовими плитами, а з середини гіпсокартоном, мінераловатними матами. На підлогу можна покласти європокриття. На стіни також можна повісити килими. Окрім цього можна вжити ще таких заходів: закривати штори на ніч (але не закривати простір між батареями і кімнатою); з батарей опалення зчистити товстий шар старої фарби, саму батарею

очистити від бруду, пилу, павутиння це покращить тепловіддачу; за батареєю встановити лист спеціального блискучого теплоізолюючого

матеріалу; провітрювати приміщення потрібно часто, але не довго 3-5 хв. (замість того,

щоб на тривалий час залишати вікно відкритим). Якщо вікно відкрите довго, ми обігріваємо вулицю;

підтримувати температуру в приміщенні комфортною (лікарі радять 18-20ºС). Якщо допустити суттєве охолодження будинку, потім його важче буде нагріти до потрібної температури;

необхідно уникати протягів, якщо рука відчуває потік холодного повітря з вікна, (дверей) це неприпустимо. Обов’язково потрібно оклеїти вікна, закрити щілини, замінити скло, якщо воно має тріщини;

на скло можна наклеїти спеціальну плівку, прозору для світла і непрозору для теплових променів;

замінити вікна на сучасні металопластикові; встановити батареї, характеристики яких відповідають розмірам даного

приміщення (потрібно спеціально розраховувати кількість ребер); встановити на батарею терморегулятори, які будуть підтримувати

температуру в приміщенні сталою, не допускаючи охолодження чи перегріву;

в сучасних “Розумних будинках” встановлюється спеціальна керуюча апаратура, за допомогою якої можна слідкувати на персональному комп’ютері за всіма системами життєзабезпечення: вентиляцією, опаленням, охолодженням повітря, енергопостачанням, пожежною безпекою, освітленням.

Деякі правила енергозбереження під час приготування їжі. Весь посуд повинен бути з кришками. (Якщо їжу готують в каструлі без

кришки, то при цьому витрачається в 2,5-3 рази більше енергії, причому

162

немає значення відсутня кришка взагалі, чи просто нещільно прилягає). Якщо є можливість, користуйтеся скороваркою (вона заощаджує газ і час).

Води в каструлю необхідно наливати співрозмірно тому, що буде варитись, наливаючи багато води ви збільшуєте час готування і витрачаєте більше енергії;

Час приготування їжі не залежить від того кипить вона на великому вогні чи на маленькому, оскільки температура кипіння води стала і дорівнює 100ºС ;

Якщо ви хочете попити чаю, можна скористатись кип’ятильником, електрочайником, таким чином ви зекономите газ, бо нагрієте меншу кількість води.

Види електростанцій

Гідроелектростанція (ГЕС) Енергетика — галузь господарства, яка виробляє енергію — мас важливе

значення для розвитку економіки, науки й культури країни. Зараз значну питому вагу з вироблення електроенергії мають механічні джерела енергії — ГЕС.

Уперше людина використала енергію води за допомогою водяного колеса. У сучасній ГЕС вода зі значною швидкістю спрямовується на лопаті тур-

бін. Вода через захисну сітку і регулювальний затвор тече стальним трубо-проводом до турбіни, над якою встановлено генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам, у яких перетворюється в електричну. Після виконання роботи (обертання турбіни) вода витікає в річку тунелем, що поступово розширюється.

Затрати на будівництво ГЕС неабиякі, але вони компенсуються тим, що не доводиться платити (принаймні, в явній формі) за джерело енергії — воду. Потужність сучасних ГЕС перевищує 100 МВт, а ККД становить 95%. Така потужність досягається за незначних швидкостей обертання ротора, тому сучасні гідротурбіни вражають своїми розмірами. Турбіна — енергетично дуже вигідна машина, оскільки вода легко і просто змінює поступальний рух на обертальний.

Будівництво греблі на річці дає змогу створити значну різницю рівнів води нижчих і вищих від ГЕС уздовж течії річки, тобто між верхнім і нижнім б'єфами. Інколи ця різниця рівнів сягає понад 100 м. Вода верхнього б'єфа падає зі значної висоти на лопаті гідротурбіни, обертає її, а разом з нею обертає генератор електроенергії, який з'єднаний із турбіною. Потужність будь-якої ГЕС залежить від різниці рівнів води верхнього і нижнього б'єфів та від кількості кубометрів води, що проходить за 1 с через лопаті турбін станції: що вона більша, то потужніша ГЕС.

Одним із принципів гідроелектробудування є максимальне використання гідроенергії річок. Згідно з цим принципом, на річках будуються не окремі ГЕС, а каскади таких станцій і створюються водосховища для регулювання річного стоку вод. Стік більшості річок нерівномірний протягом року. Так, у Дніпрі в період весняного паводку, тобто приблизно протягом одного місяця, у море

163

стікала половина всіх водних запасів річки, у літні місяці рівень води різко знижувався. Внаслідок цього ГЕС влітку працювала з половинною потужністю. Створення великого водосховища біля ГЕС різко змінило становище. Тепер весняні води Дніпра вже не стікають без усілякої користі в море, а зберігаються у водосховищі, а потім планомірно використовуються протягом року гідростанціями. Це дало змогу не лише збільшити річний виробіток електроенергії, а й знімати пікові навантаження в енергосистемі району роз-міщення ГЕС. Сучасні ГЕС будують із таким розрахунком, щоб за їхньою допомогою комплексно розв'язувалися задачі вироблення електроенергії, зрошення земель, водопостачання тощо.

Зазначимо, що ГЕС мають принаймні дві переваги перед ТЕС і АЕС: 1) відсутність під час роботи витрат на паливо, внаслідок чого їхня елект-

роенергія в 4-8 разів дешевша від електроенергії, виробленої на ТЕС і АЕС;

2) гідроенергія річок, що використовується на ГЕС, відтворюється приро-дно, а викопні енергоресурси не відтворюються.

Гідроенергетичні технології мають чимало переваг, але є й значні недолі-ки. Наприклад, низькі водні ресурси під час засухи можуть серйозно впливати на кількість виробленої енергії. Це може стати значною проблемою там, де гідроенергія складає значну частину в енергетичному комплексі країни; буді-вництво гребель є причиною багатьох проблем: переселення мешканців, за-мулення водосховищ, водних суперечок між сусідніми країнами, значної вартості цих проектів. Будівництво ГЕС на рівнинних річках призводить до затоплення великих територій. Значна частина площі водойм, що утворюються, — мі-лководдя. У літній час за рахунок сонячної радіації в них активно розвивається водяна рослинність, відбувається так зване «цвітіння» води.

Греблі перешкоджають міграції риб. Багатокаскадні ГЕС перетворюють річки на низку озер, де виникають болота. У цих річках гине риба, а навколо них змінюється мікроклімат, ще більше руйнуючи природні екосистеми.

Теплоелектростанція (ТЕС) Енергія людини здавна була спрямована на пошуки засобів полегшення

виконання необхідних для її існування робіт. Для цього використовувалися усілякі інструменти й механізми, приручені тварини, але лише теплова машина різко розширила можливості людини, прискорила технічний прогрес.

Теплова машина — це система, яка дає змогу перетворити теплову енер-гію в інші форми енергії — механічну, електричну.

На теплових EC енергія, яка виділяється під час згоряння різних видів па-лива — вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців за допомогою електро-генераторів, що приводяться в обертання паровими і газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, перетворюється в електричну енергію. Бі-льшість сучасних потужних ТЕС є паротурбінними. У паровій турбіні нагріта (до 500-560°С) і стиснена (до 2,4-107 Па) пара виходить із сопла, що розширюється.

164

Об'єм пари зростає, а тиск відповідно падає, при цьому потенціальна енергія стиснутої пари перетворюється в кінетичну. Пара виходить із сопла зі значною швидкістю, вдаряється в лопатки диска турбіни, закріпленого на валу, і швидко обертає їх, при цьому кінетична енергія пари передається ротору турбіни. Вал турбіни жорстко зв'язаний з валом електрогенератора, і тому турбіна приводить в обертання ротор генератора, внаслідок чого і виробляється електрична енергія.

Більша частина енергії палива втрачається разом із гарячою (відпра-цьованою) парою. Цю відпрацьовану на турбінах гарячу пароводяну суміш використовують для опалення житлових приміщень і виробничих потреб, що підвищує коефіцієнт корисної дії теплових електроцентралей (ТЕЦ). Слід зауважити, що на ТЕЦ 80% енергії згоряння палива використовують ефективно.

Під час згоряння палива в теплових двигунах виділяються шкідливі речо-вини: карбон (IV) оксид, сполуки Нітрогену, сполуки Плюмбуму, а також ви-діляється в атмосферу значна кількість теплоти. Крім того, застосування парових турбін на ТЕС потребує відведення великих площ під ставки, в яких охолоджується відпрацьована пара. Щорічно у світі спалюється 5 млрд тонн вугілля і 3,2 млрд тонн нафти, це супроводжується викидом в атмосферу 2-Ю10 Дж теплоти. Запаси органічного палива на Землі розподілені вкрай нерівномірно, і за теперішніх темпів споживання вугілля вистачить на 150-200 років, нафти — на 40-50 років, а газу — приблизно на 60 років. Весь цикл робіт, пов'язаних із видобутком, перевезенням і спалюванням органічного палива (головним чином вугілля), а також утворенням відходів, супроводжується виділенням значної кількості хімічних забруднювачів. Видобуток вугілля пов'язаний із чималим засоленням водних резервуарів, куди скидаються води із шахт. Крім цього, у воді, що відкачується, містяться ізотопи Радію і Радон. ТЕС, хоча й має сучасні системи очищення продуктів спалювання вугілля, викидає за один рік в атмосферу за різними оцінками від 10 до 120 тис. тонн оксидів сульфуру, 2-20 тис. тонн оксидів Нітрогену. Крім того, утворюється понад 300 тис. тонн золи, яка містить близько 400 т токсичних металів (арсену, кадмію, свинцю).

Можна відзначити, що ТЕС, яка працює на вугіллі, викидає в атмосферу більше радіоактивних речовин, ніж АЕС такої ж потужності. Це пов'язано з викидом різних радіоактивних елементів, що містяться у вугіллі у вигляді вкраплень (радій, торій, полоній тощо). Для кількісної оцінки дії радіації вво-диться поняття «колективна доза», тобто добуток значення дози на кількість населення, що зазнало впливу радіації (він виражається у людино-зівертах). Виявилося, що на початку 90-х років минулого століття щорічна колективна доза опромінення населення України за рахунок теплової енергетики становила 767 люд-зв і за рахунок атомної — 188 люд-зв.

У наш час в атмосферу щорічно викидається 20-30 млрд тонн оксиду Ка-рбону. Прогнози свідчать, що за збереження таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитися на декілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін.

Порівнюючи екологічну дію різних енергоджерел, необхідно врахувати їхній вплив на здоров'я людини. Високий ризик для працівників у випадку

165

використання вугілля пов'язаний із його видобутком у шахтах, транспортуванням і з екологічним впливом продуктів його спалювання. Останні дві причини сто-суються нафти й газу та впливають на все населення. Встановлено, що глоба-льний вплив викидів від спалювання вугілля й нафти на здоров'я людей діє приблизно так само, як аварія типу Чорнобильської, що повторюється раз на рік. Це — «тихий Чорнобиль», наслідки якого безпосередньо невидимі, але постійно впливають на екологію. Концентрація токсичних домішок у хімічних відходах стабільна, і врешті-решт усі вони перейдуть в екосферу.

Атомна електростанція (АЕС) Основа атомної енергетики — атомні електростанції, які перетворюють

ядерну енергію в електричну. АЕС використовують теплоту, що виділяється в ядерному реакторі внаслідок ланцюгової реакції поділу ядер важких елементів, переважно 235U, 238U, 239Pu. Потім, як і на звичайних ТЕС, теплова енергія перетворюється в електричну. При кінцевому поділі 1 г ізотопу урану чи плутонію вивільняється приблизно 22,5 МВт·тод енергії, що рівноцінно енергії 2,8 т умовного палива.

Принцип роботи АЕС такий: ядерний реактор, захищений бетоном, містить циліндри (стержні), всередині яких знаходиться уран. Уранові стержні-блоки перебувають у воді, яка одночасно є і сповільнювачем, і теплоносієм. Вода перебуває під великим тиском і тому може бути нагріта до дуже високої температури (близько ЗОО°С). Така гаряча вода з верхньої частини активної зони реактора надходить трубопроводами в парогенератор (який також наповнений водою, що випаровується), охолоджується і повертається трубопроводом у реактор. Насичена пара із парогенератора через трубопровід надходить у парову турбіну і після відпрацювання повертається назад іншим трубопроводом. Турбіна обертає електричний генератор, струм від якого надходить у розподільний пристрій, а відтак — у зовнішнє електричне коло. Хід ланцюгової реакції регулюється стер--жнями з речовин, які добре поглинають нейтрони.

Від уведення в дію першої АЕС минуло понад 45 років. За цей час у тех-ніці АЕС сталися неабиякі зміни: різко зросли потужності ядерних реакторів, підвищилися техніко-економічні показники АЕС. Зараз для районів, віддалених від ресурсів хімічного палива, собівартість 1 кВт·год для АЕС менша, ніж для теплових електростанцій. Тому, незважаючи на дещо вищу вартість обладнання для АЕС, їхні загальні економічні показники в цих умовах, кращі, ніж для теплових електростанцій. Запасів ядерного палива в енергетичному еквіваленті у сотні разів більше, ніж органічного. АЕС практично не виділяють в атмосферу хімічних забруднювачів. Якщо за їхньою нормальною роботою розуміти такий режим експлуатації, за якого додаткова доза опромінення від станції не перевищує значень флуктуацій природного фону, то, як правило, ця умова дотримується. У цілому реальний радіаційний вплив АЕС на природне середовище є значно (у 10 і більше разів) меншим припустимого. Якщо врахувати екологічну дію різноманітних енергоджерел на здоров'я людей, то серед невідновлюваних джерел енергії ризик від АЕС, які нормально працюють,

166

мінімальний як для працівників, діяльність яких пов'язана з різними етапами ядерного паливного циклу, так і для населення. Глобальний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу нині становить близько 0,1% природного фону і не перевищить 1% навіть за найінтенсивнішого її розвитку в майбутньому.

Видобуток і переробка уранових руд також пов'язані з несприятливою екологічною дією. Але головною проблемою залишається поховання високо-активних відходів. Обсяг особливо небезпечних радіоактивних відходів ста-новить близько однієї стотисячної частини загальної кількості відходів, серед яких є високотоксичні хімічні елементи та їхні стійкі сполуки. Розробляються методи їхньої концентрації, надійного зв'язування й розміщення у тривких геологічних формаціях, де за розрахунками фахівців, вони можуть утримуватися протягом тисячоліть.

Серйозним недоліком атомної енергетики є радіоактивність використову-ваного палива і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різного типу радіоактивного випромінювання, що значно підвищує вартість енергії, яку виробляють АЕС. Крім цього, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто її нагрівання.

Цікаво відзначити, що, за даними групи англійських медиків, особи, які працювали протягом 1946-1988 pp. на підприємствах британської ядерної промисловості, живуть у середньому довше, а рівень смертності серед них від усіх причин, включаючи рак, значно нижчий. Якщо враховувати реальні рівні радіації та концентрації хімічних речовин в атмосфері, то можна стверджувати, що вплив останніх на флору в цілому доволі значний порівняно із впливом радіації.

Наведені дані свідчать, що за нормальної роботи енергетичних установок екологічний вплив атомної енергетики у десятки разів нижчий, ніж теплової.

Невиправним лихом для України залишається Чорнобильська трагедія. Але вона більше стосується того соціального ладу, що її породив, ніж атомної енергетики.

Альтернативні електростанції Зростання масштабів використання електричної енергії, загострення про-

5лем охорони навколишнього середовища значно активізували пошуки екологічно чистих способів вироблення електричної енергії. Інтенсивно розроб-ляються способи використання непаливної відновлюваної енергії — сонячної, вітряної, геотермальної, енергії хвиль, припливів і відпливів, енергії біо-газу тощо. Джерела цих видів енергії — невичерпні, але потрібно розумно оцінити, чи зможуть вони задовольнити усі потреби людства.

Вітрові електростанції (ВЕС) За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі

становить 1200 ТВт, однак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Новітні дослідження направлені переважно на вироблення електричної енергії за рахунок енергії вітру. Споруджуються ВЕС

167

переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить у рух динамо-машину — генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з'єднані акумулятори.

Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно забезпечують струмом нафто-виків; вони успішно працюють у важкодоступних районах, на далеких островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів і електростанцій. Широкому застосуванню вітроелектричних агрегатів у звичайних умовах поки що перешкоджає їхня висока собівартість. При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітряну погоду і нестача її в період безвітря. Використання енергії вітру ускладнюється тим, що вітер має малу густину енергії, а також змінюється його сила і напрям. Вітроустановки здебільшого використовують у тих місцях, де добрий вітровий режим. Для створення вітроустановок значної потужності необхідно, щоб вітродвигун мав великі розміри, крім того, повітряний гвинт потрібно підняти на достатню висоту, оскільки на більшій висоті вітер більш сталий і має більшу швидкість. Лише одна електростанція, що працює на органічному паливі, може замінити (за кількістю виробленої енергії) тисячі вітрових турбін. В Україні найкращі умови для спорудження ВЕС є у Криму.

Енергія припливів і відпливів Віками люди розмірковували над причиною морських припливів і відпли-

вів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що це могутнє природне явище — ритмічний рух морських вод — викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. Енергія припливів величезна, її сумарна потужність на Землі становить близько 1 млрд кВт, що більше за сумарну потужність усіх річок світу.

Принцип дії припливних електростанцій дуже простий. Під час припливу вода, обертаючи ротор гідротурбіни, заповнює водоймище, а після відпливу вона з водоймища виходить в океан, знову обертаючи ротор турбіни. Головне — знайти зручне місце для встановлення греблі, в якому висота припливу була б значною. Будівництво й експлуатація електростанцій на морі — складне за-вдання. Морська вода спричиняє корозію більшості металів, деталі установок обростають водоростями. В Україні умов для використання енергії припливів і відпливів немає.

Енергія Сонця Тепловий потік сонячного випромінювання, який сягає Землі, дуже вели-

кий. Він більш як у тисячі разів перевищує сумарне використання всіх видів паливно-енергетичних ресурсів у світі.

Серед переваг сонячної енергії — виняткова екологічна чистота. Сонячна енергія надходить на всю поверхню Землі, лише полярні райони планети страждають від її нестачі. Тобто практично на всій земній кулі лише хмари та ніч заважають користуватися нею постійно. Така загальнодоступність робить цей вид енергії неможливим для монополізації, на відміну від нафти і газу. Звичайно, вартість 1 кВтгод сонячної енергії значно вища, ніж отримана традиційним

168

методом. Лише п'ята частина сонячного світла перетворюється в електричний струм, але ця частка дедалі зростає завдяки зусиллям учених та інженерів.

Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена на великій площі (іншими словами, має низьку густину), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій із достатньою поверхнею. Найпростіший пристрій такого роду — плоский колектор — чорна плита, добре ізольована знизу.

Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують; чорні трубки, в яких тече вода, масло, повітря, оксид сульфуру (IV) тощо. Сонячне проміння, проникаючи крізь скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою та нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вища (на 200-300°С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Більш складним колектором, вартість якого значно вища, є вгнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче проміння в малому об'ємі біля певної геометричної точки — фокуса. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця. Це дає змогу збирати значну кількість сонячного проміння. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів сягає 3000°С і вище. Існують електростанції дещо іншого типу. На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках. Однак поверхня сонячних батарей для забезпечення достатньої потужності має бути доволі значною (для добового вироблення 500 МВт·год необхідна поверхня площею 500000 м2), що доволі дорого. Сонячна енергетика належить до найбільш матеріалоємних видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреб у матеріалах, а, отже, у трудових ресурсах для видобутку сировини, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їхнє перевезення. Ефективність сонячних електростанцій у районах, віддалених від екватора, доволі мала через нестійкі атмосферні умови, відносно слабку інтенсивність сонячної радіації, а також її коливання, зумовлені чергуванням дня і ночі.

Геотермальна енергія Геотермальна енергетика використовує високі температури надр земної

кори для вироблення теплової енергії. У деяких місцях Землі, особливо на краю тектонічних плит, теплота виходить на поверхню у вигляді гарячих джерел — гейзерів і вулканів. В інших областях підводні джерела протікають крізь гарячі підземні пласти, і цю теплоту можна використовувати через системи теплообміну. Ісландія є прикладом країни, де широко використовується геотермальна енергія.

169

Біогаз. Біотехнологія Зараз розроблено технології, які дають змогу добувати горючі гази з біо-

логічної сировини в результаті хімічної реакції розпаду високомолекулярних сполук на низькомолекулярні за рахунок діяльності особливих бактерій (які беруть участь у реакції без доступу кисню з повітря).

Схема реакції: біомаса + бактерії —» горючі гази + інші гази + добрива. Біомаса — це відходи сільськогосподарського виробництва (тваринництва,

переробної промисловості). Основною сировиною для виробництва біогазу є гній, який доставляють на біогазову станцію. Головним продуктом біогазової станції є суміш горючих газів (90% у суміші складає метан). Цю суміш постачають на електростанції.

Відновлювані джерела (крім енергії води, що падає) мають спільний недо-лік: їхня енергія дуже слабо сконцентрована, а це створює чималі труднощі для практичного використання. Вартість відновлюваних джерел (не враховуючи ГЕС) значно вища, ніж традиційних. Як сонячна, так і вітрова та інші види ене-ргії, можуть успішно використовуватись для вироблення електроенергії в діа-пазоні потужностей від кількох до десятків кіловат. Але ці види енергії неперс-пективні для створення потужних промислових енергоджерел.

Чинні акти законодавства (нормативного характеру) у сфері

енергозбереження

Закони України 1. Закон України «Про енергозбереження» від 01.07.1994 р. № 74/94-ВР. 2. Закон України «Про Національну програму інформатизації» від

04.02.1998 р. №74/98-ВР. 3. Закон України «Про Концепцію Національної програми інформатизації»

від 04.02.1998 р. № 75/98-ВР. 4. Закон України «Про затвердження завдань Національної програми

інформатизації на 1998-2000 роки» від 04.02.1998 р. № 76/98-ВР. 5. Закон України «Про ратифікацію Договору до Енергетичної Хартії та

Протоколу до Енергетичної Хартії з питань енергетичної ефективності і суміжних екологічних аспектів» від 6.02.1998 р. № 89/98-ВР.

6. Закон України «Про ратифікацію Кредитної угоди (Фінансування Української енергозберігаючої сервісної компанії "УкрЕско") між Україною та «Європейським банком реконструкції та розвитку» від 13.05.1999 р. № 648-ХІV.

7. Закон України «Про альтернативні види рідкого та газового палива» від 14.01.2000 р. № 1391-ХІV.

Укази Президента України 1. Указ Президента України «Про утворення Державного комітету України

з енергозбереження» від 26.07.1995 р. № 666/95. 2. Указ Президента України «Про положення про Державний комітет

України з енергозбереження» від 06.10.1995 р. № 918/95.

170

3. Указ Президента України від 16.06.1999 р. № 662/99 «Про заходи щодо скорочення енергоспоживання бюджетними установами, організаціями та казенними підприємствами».

4. Указ Президента України від 28.12.2000 р. № 1389/99 «Про внесення змін і доповнень до Положення про Державний комітет України з енергозбереження».

Постанови та розпорядження Кабінету Міністрів України 1. Постанова Кабінету Міністрів України від 5.08.1992 р. № 449 «Про

порядок прийняття в експлуатацію закінчених будівництвом об'єктів державного замовлення».

2. Постанова Кабінету Міністрів України від 2.09.1993 р. № 699 «Про заходи щодо ефективного використання газу».

3. Постанова Кабінету Міністрів України від 18.09.1995 р. № 741 «Питання Державного комітету України з енергозбереження».

4. Постанова Кабінету Міністрів України від 9.01.1996 р. № 20 «Про управління сферою енергозбереження».

5. Постанова Кабінету Міністрів України від 26.10.1996 р. № 1308 «Про порядок використання коштів, одержаних за неефективне використання газу».

6. Постанова Кабінету Міністрів України від 5.02.1997 р. № 148 «Про комплексну державну програму енергозбереження України».

7. Постанова Кабінету Міністрів України від 15.07.1997 р. № 751 «Про Програму заходів щодо скорочення споживання природного газу».

8. Постанова Кабінету Міністрів України від 15 липня 1997 р. № 786 «Про порядок нормування питомих витрат паливно-енергетичних ресурсів у суспільному виробництві».

9. Постанова Кабінету Міністрів України від 20.12.1997 р. № 1422 «Про створення Української енергозберігаючої сервісної компанії».

10. Постанова Кабінету Міністрів України від 31.12.1997 р. № 1505 «Про Програму державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- і теплоенергетики».

11. Постанова Кабінету Міністрів України від 19.01.1998 р. № 48 «Про Концепцію діяльності органів виконавчої влади у забезпеченні енергетичної безпеки України».

12. Постанова Кабінету Міністрів України від 17.03.1998 р. № 326 «Про внесення змін до Положення про порядок прийняття в експлуатацію закінчених будівництвом об'єктів державного замовлення».

13. Постанова Кабінету Міністрів України від 15.07.1998 р. № 1094 «Про державну експертизу з енергозбереження».

14. Постанова Кабінету Міністрів України від 17.08.1998 р. № 1308 «Про Порядок затвердження інвестиційних програм і проектів будівництва та проведення їх комплексної державної експертизи».

15. Постанова Кабінету Міністрів України від 13.03.1999 р. № 358 «Про підсумки роботи народного господарства у 1998 році» (п. 10-16).

171

16. Розпорядження Кабінету Міністрів України від 31.03.1999.р. № 256-р (щодо прискорення впровадження енергозберігаючих технологій при виготовленні, транспортуванні та споживанні теплової енергії).

17. Постанова Кабінету Міністрів України від 30.11.1999 р. № 2183 «Про скорочення енергоспоживання бюджетними установами, організаціями та казенними підприємствами».

18. Постанова Кабінету Міністрів України від 28.11.1999 р. № 2184 «Про порядок забезпечення галузей національної економіки і населення природним газом у 2000 році».

19. Постанова Кабінету Міністрів України від 8.12.1999 р. № 2219 «Про внесення змін до деяких постанов Кабінету Міністрів України».

20. Постанова Кабінету Міністрів України від 27.06.2000 р. № 1040 «Про невідкладні заходи щодо виконання Комплексної державної програми енергозбереження України».

21. Постанова Кабінету Міністрів України від 29.06.2000 р. № 1039 «Питання державної інспекції з енергозбереження».

22. Постанова Кабінету Міністрів України від 7.07.2000 р. № 1071 «Про деякі заходи щодо раціонального використання паливно-енергетичних ресурсів».

23. Постанова Кабінету Міністрів України від 18.05.2000 р. № 826 «Про заходи щодо впровадження автоматизованих систем обліку електроенергії».

24. Розпорядження Кабінету Міністрів України від 15.11.2000 р. № 451-р «Про утворення Міжвідомчої робочої групи з координації здійснення особливо важливих енергозберігаючих проектів».

Список мультимедійних засобів підтримки курсу

„Основи енергозбереження” Відеофільми:

1. 100 найвидатніших відкриттів людства: фізика. 2. 100 найвидатніших відкриттів людства: хімія. 3. Використання природної енергії – як це вони побудували. 4. Людина загрожує Землі. 5. Набір фільмів із серії „Як це працює”. 6. Хто вбив електромобіль. 7. Шість градусів, які можуть змінити світ.

172

Література.

1. В. Г.Каплун, В. В. Назаров, П. Ф. Луців, Б. О.Талькоїн та інші. Комплексна програма енергозбереження Хмельницької області на 2001-2010 роки. Хмельницький, 2001 р.

2. В. Гудзь, В. Долгий, О. Заклевський, М. Міль. Основи енергозбереження. 7 клас. Тернопіль. Мандрівець, 2006.

3. Від виробництва до ефективного споживання енергії. Посібник для вчителів. О. І. Соловей, А. В. Праховник, Є. М. Іншеков та інші. -К: Нот. Ф-ка, 1999. (Енергозбереження, Кн. 2).

4. Енергозбереження - приоритетний напрямок державної політики України / Коваленко М. П., Денисюк С. П.; відповідальний ред. Шадловський А. К. -К, УЕЗ, 1998.

5. Єпанешников М.М. Электрическое освещение. М., Энергия, 1973. 6. Л. В Беззубко. Географія промисловості України. Харків, В. г. «Основа»,

2004. 7. М. О. Дикий. Поновлювальні джерела енергії. -Київ, Вища школа, 1993. 8. Матеріали проект TACIS EUK 9701 «Посилення дій з підготовки

енергоменеджерів в Україні». 9. С. У. Гончаренко. Фізика 10. Київ: Освіта. 2002. 10. С. У. Гончаренко. Фізика 11. Київ: Освіта. 2003. 11. Холодильні установки. Міністерство освіти і науки. Національний

університет «Львівська політехніка» Львів, 2001. 12. ТОВ "Теплові насоси". http://teplonasos.com.

173

Зміст. Навчальна програма факультативного курсу „Основи

енергозбереження”. ...................................................................................... 5

Рекомендації з енергозбереження на виконання Програми Президента

України В. А. Ющенка «Десять кроків назустріч людям» .................... 18

Перспективи розвитку енергетики України. Політика енергозбереження й

енергозабезпечення України. ..................................................................... 20

Енергозберігальні матеріали ...................................................................... 22

Паливо та його горіння............................................................................... 28

Холодильні установки ................................................................................ 34

Теплові помпи............................................................................................. 48

Принцип роботи геотермального теплового насосу........................... 54

Геотермальна кліматична система. Розумний будинок. ..................... 61

Система виробництва та використання пари............................................. 68

Теплові двигуни.......................................................................................... 71

Енергозбереження в будинках ................................................................... 82

Порівняння різних видів опалення ................................................... 88

Енергозбереження в електропостачальних системах. ............................... 93

Електричний привід.................................................................................... 99

Електричне освітлення. ............................................................................ 102

Поновлювальні джерела енергії. .............................................................. 106

Екологія енерговикористання .................................................................. 124

Енергозбереження в Хмельницькій області............................................. 130

Енергія – основа людського життя ..................................................138

Приклади розв’язування задач на енергозбереження.............................. 139

Рівневі завдання та задачі на енергозбереження. .................................... 146

174

Практична робота. Визначення температури вольфрамової спіралі лампи

в робочому стані. ...................................................................................... 155

Практична робота. Розрахунок і випробування автоматичного регулятора

температури. ............................................................................................. 155

Додатки ..................................................................................................... 159

Економія електроенергії при освітленні:..........................................159

Економія при користуванні побутовими електроприладами .............159

Збереження тепла в будинках..........................................................161

Види електростанцій ......................................................................162

Чинні акти законодавства (нормативного характеру) у сфері

енергозбереження ...........................................................................169

Список мультимедійних засобів підтримки курсу „Основи

енергозбереження” .........................................................................171

Література. ................................................................................................ 172

175

Висловлюємо щиру вдячність Драгомерецькій І.П. – начальнику управління

економіки райдержадміністрації Ярмолинецького району – за надану нам практичну допомогу в

підготовці матеріалів з енергозбереження.

Автори П. Добрянський, В. Мазур.

176

Як економити тепло і електрику ■ Утеплюйте вікна та двері Холодної погоди 24% тепла витрачається через недбало ущільнені

двері та вікна, 26% - через стіни, 11% - через допоміжні приміщення (підвали, сходові майданчики тощо) і 39% - через вентиляційні отвори і димоходи.

■ Не випускайте тепло Зачиняйте на ніч штори і жалюзі, щоби зменшити втрати тепла через вікна. Заізолюйте радіатори опалювальної системи від зовнішніх стін - встановіть за ними тепловідбивальну фольгу. Це на 4% зменшить витрати на опалення приміщень.

■ Не перегрівайте оселю Якщо ви сплачуєте за опалення за тепловим лічильником або маєте

автономне опалення, пам'ятайте: підвищення температури у приміщенні на 1 градус збільшує витрати теплової енергії на 6%.

■ Не перекривайте теплу дорогу Радіатори опалення закриті шторами чи невдало розставленими

меблями, більше гріють вулицю, ніж вашу оселю. ■ Не витрачайте свої гроші на опалення вулиці Відчинені впродовж багатьох годин кватирки вікон дають вам не

тільки свіже повітря, а й значні втрати тепла. Краще провітрювати частіше, але лише впродовж кількох хвилин при широко відчиненому вікні. За цей час стіни приміщення не встигають охолонути.

■ Більше світла при менших витратах електроенергії Якщо замість чотирьох лампочок у люстрі повинно бути чотири бра,

то локальне освітлення забезпечить економне і комфортне освітлення в тому місці, де ви працюєте чи відпочиваєте. Це дає змогу економити до 25% електроенергії.

■ Можна прати економно Оптимально використовуйте пральну машину. Доцільно прати за

нижчої температури й без програми попереднього замочування. ■ Розумно користуйтеся холодильником Треба завжди пам'ятати, що відкривши холодильник і роздумуючи,

що б там взяти, ви втрачаєте стільки, скільки коштує те, що ви з'їсте.