Теплоенергетика, галузь теплотехніки, що займається перетворенням теплоти в ін. види енергії, головним чином в механічну і електричну. Для генерування механічної енергії за рахунок теплоти служать теплосилові установки; отримана в цих установках механічна енергія використовується для приводу робочих машин (металообробних верстатів, автомобілів, конвеєрів і т. д.) або електромеханічних генераторів, за допомогою яких виробляється електроенергія. Установки, в яких перетворення теплоти в електроенергію здійснюється без електромеханічних генераторів, називаються установками прямого перетворення енергії. До них відносять магнітогідродинамічні генератори, термоелектричні генератори, термоемісійні перетворювачі енергії .
Перетворення теплоти в механічну енергію в теплосилових установках засноване на здатності газо- або пароподібного тіла здійснювати механічну роботу при зміні його об'єму. При цьому робоче тіло (газ або пара) повинне зробити замкнуту послідовність термодинамічних процесів (цикл). В результаті такого циклу від одного або декількох джерел теплоти відбирається певна кількість теплоти Q 1 і одному або декільком джерелам теплоти віддається кількість теплоти Q 2 , менше, ніж Q 1 ; при цьому різниця Q 1 – Q 2 перетворюється на механічну роботу А теор. Відношення отриманої роботи до витраченій теплоті називається термічним ккд(коефіцієнт корисної дії) цього циклу
. (1)
В простому випадку цикл може бути здійснений при одному джерелі теплоти з температурою T 1 , що віддає теплоту робочому тілу, і одному джерелі теплоти з температурою T 2, що сприймає теплоту від робочого тіла. При цьому в температурному інтервалі T 1 — T 2 найвищий ккд(коефіцієнт корисної дії) h до = 1 — T 2 /t 1 серед всіх можливих циклів має Карно цикл, тобто h до h t . Ккд, рівний 1, тобто повне перетворення теплоти Q 1 в роботу, можливий або при T 1 = ¥, або при T 2 = 0 . Зрозуміло, обидва ці умови не реалізовуються. Поважно ще підкреслити, що для земних умов температура Т 2 для теплоенергетичних установок повинна в кращому разі прийматися рівній температурі Т 0 довкілля (повітря або водоймищ). Отримати джерело теплоти з температурою Т 2 < Т 0 можна лише за допомогою холодильної машини, яка для своєї дії в загальному випадку вимагає витрати роботи. Неможливість повного перетворення теплоти в роботу за умови, що всі тіла, що беруть участь в цих перетвореннях, будуть повернені у вихідні стани, встановлюється другим початком термодинаміки .
Процеси, що протікають в реальних установках, що перетворюють теплоту в ін. види енергії, супроводяться різними втратами, внаслідок чого отримувана дійсна робота А дійств. виявляється менше теоретично можливої роботи А теор . Відношення цих робіт називається відносним ефективним ккд(коефіцієнт корисної дії) установки h oe , тобто,
. (2)
З формул (1) і (2) отримуємо А дійств = Q 1 × h t h oe = Q 1 h e ,
де h е = h е ×h oe — ефективний ккд(коефіцієнт корисної дії) установки. За інших рівних умов ефективність перетворення теплоти в роботу залежить від температури, при якій ця теплота передається робітникові тілу. Максимальна робота, яка може бути отримана за рахунок деякої кількості теплоти Q , що відбирається при температурі T 1 при заданій температурі середовища Т 0 , називається працездатністю, або ексергією l а цієї теплоти, тобто
. (3)
З формули (3), зокрема, бачимо, що при T 1 = T 0 ексергія теплоти дорівнює нулю.
В якнайповнішому варіанті установки, що перетворюють теплоту в механічну роботу (теплосилові установки), включають: робоче тіло, що здійснює замкнуту послідовність термодинамічних процесів (цикл); системи підведення теплоти до робочого тіла від якого-небудь джерела теплової енергії; одну або декілька машин, що сприймають роботу робочого тіла або що віддають йому роботу; систему відведення теплоти від робочого тіла в довкілля. За способом передачі теплоти до робочого тіла розрізняють установки із зовнішнім підведенням (теплота підводиться до робочого тіла від зовнішнього джерела в теплообміннику) і установки з внутрішнім підведенням (робоче тіло — продукти згорання палива).
Теплові електростанції. Основу сучасною Т. (1975) складають теплосилові установки паротурбінних електростанцій, які складаються з котлоагрегата і парової турбіни (так звані паросилові установки ) . В СРСР на таких електростанціях в 1975 було вироблено більше 80% всієї електроенергії. У крупних містах найчастіше будуються електростанції теплофікацій (ТЕЦ), а в районах з дешевим паливом — конденсаційні електростанції (КЕС).
Відмінність ТЕЦ(теплоелектроцентраль) від КЕС полягає в тому, що ТЕЦ(теплоелектроцентраль) віддає споживачеві не лише електроенергію, але і теплоту з мережевою водою, нагрітою в бойлерах до 150—170 °С. Мережева вода по магістральних теплопроводах подається в житлові масиви і далі або безпосередньо, або через проміжні теплообмінники прямує на опалювання і гаряче водопостачання. Турбіни ТЕЦ(теплоелектроцентраль) окрім регенеративних відборів пари мають один або декілька регульованих відборів теплофікацій. Така турбіна працює по графіку теплового вжитку, і в найбільш холодну пору року пропуск пари в конденсатор практично дорівнює нулю. Опалювання від ТЕЦ(теплоелектроцентраль) економічніша, ніж від індивідуальних і навіть центральних котельних, оскільки на ТЕЦ(теплоелектроцентраль) мережева вода підігрівається відпрацьованою парою, температура (а значить, і ексергія) якої лише мало чим вище за температуру мережевої води. У котельних для підвищення економічності використовується теплота при максимальній температурі горіння палива.
Спрощена принципова схема конденсаційної паротурбінної електростанції змальована на мал. В топці котлоагрегата спалюється паливо (вугілля, мазут або природний газ). Необхідне для згорання повітря, заздалегідь нагріте газами, що вирушають з котлоагрегата, в рекуперативному воздухоподогревателе, подається в топку дутьевим вентилятором. Продукти згорання віддають свою теплоту також воді і водяній парі в різних елементах котлоагрегата і з температурою 130—150 °С через золоуловлювач поступають в димосос, який викидає їх в димар. Робоче тіло, що перетворює теплоту в механічну роботу, — водяна пара. Перегріта водяна пара поступає з пароперегрівача і прямує в парову турбіну. Тиск пари перед турбіною на крупних електростанціях досягає 35 Мн/м-коду 2 при температурі 650 °С. У турбіні пара поступає через нерухомі сопла в канали, утворені криволінійними лопатками, закріпленими по колу ротора, і, віддаючи свою енергію, приводить ротор в обертання. Механічна енергія ротора турбіни перетвориться в електроенергію в електромеханічному генераторі. Парова турбіна найчастіше виконується в двох або трьох корпусах. Пара, що поступає з першого корпусу турбіни в другий, інколи знов прямує в парогенератор для проміжного перегріву в пароперегрівачі. Відпрацювавши в турбіні, пара конденсується в конденсаторі, в якому підтримується тиск 0,003—0,005 Мн/м-кодом 2 і температура 25—29 °С. Отриманий конденсат насосом подається в систему регенеративних підігрівачів (де підігрівається до 230—260 °С за рахунок теплоти пари, що відбирається з турбіни), а потім насосом — в економайзер. Після економайзера вода поступає в барабан казана, а з нього в розміщених на стінах топкі екранні труби, в яких відбувається частковий випар води і з яких пароводяна суміш, що утворилася, повертається в барабан, де насичена пара відділяється від води і прямує в пароперегрівач і далі в турбіну, а вода повертається в екранні труби. Для генерації пари надкритичних параметрів (тиском понад 24 Мн/м-код 2 ) використовують прямоточні казани .
вода, що Охолоджує, подається в конденсатор з природних або штучних водоймищ і, нагрівшись в конденсаторі на декілька градусів, скидається в це ж водоймище. У кінцевому підсумку температура води, що охолоджує, повертається до колишнього рівня за рахунок випару деякій її частини. За відсутності чималих водоймищ вода, що охолоджує, циркулює в замкнутому контурі, віддаючи теплоту повітрю у випарних охолоджувачах баштового типа — градірнях . У районах з недоліком води застосовують так звані сухі градірні (градірні Геллерта), в яких вода, що охолоджує, віддає теплоту повітрю через стінку теплообмінника.
Одна з основних тенденцій розвитку теплових електростанцій — збільшення потужності одиничних агрегатів (парогенераторів і парових турбін), що дозволяє швидкими темпами нарощувати енергоозброєність народного господарства. У СРСР (1976) на КЕС освоюються енергетичні блоки потужністю 800 Мвт (споруджується блок потужністю 1200 Мвт ) , а на ТЕЦ(теплоелектроцентраль) — 250 Мвт.
На газотурбінних електростанціях теплосилова установка є газотурбінний двигун (ГТД). У камеру згорання ГДТ подається паливо (природний газ або мазут) і стислий в компресорі до декількох Мн/м-код 2 повітря. Згорання палива ведеться при великих коефіцієнтах надлишку повітря (2—4), що знижує температуру продуктів згорання, які прямують в газову турбіну . Після турбіни продукти згорання або віддають в регенераторі частину своєї теплоти повітрю, що направляється в камеру згорання, або (у спрощених схемах) скидаються в димар. Механічна енергія ротора турбіни в електромеханічному генераторі перетворюється на електричну енергію і частково витрачається на привід компресора. Газотурбінні електростанції застосовуються для енергопостачання магістральних газопроводів (де є горючий газ під тиском) і як пікові електростанції для покриття навантажень в години «списів». До середини 70-х рр. сумарна потужність газотурбінних електростанцій в світі перевищила 2,5 Гвт.
Перспективні парогазотурбінні установки (ПГУ), в яких здійснюється комбінований цикл газо- і паротурбінної установок. Залежно від теплової схеми розрізняють: ПГУ, в яких пар тиском 0,6—0,7 Мн/м-кодом 2 з високонапірного парогенератора прямує в парову турбіну, а продукти згорання — в газову турбіну, службовку для приводу повітряного компресора і електромеханічного генератора; ПГУ, в яких гарячі гази газотурбінної установки, що відходять, поступають в топку парового казана для підвищення в ній температури або ж які служать для підігрівання живильника води в економайзері казана. У ПГУ в порівнянні з паротурбінними установками (тих же потужності і параметрів) питома витрата теплоти на 4—6% менша.
На дизельних електростанціях (ДЕС), на відміну від теплових і атомних електростанцій, електромеханічні генератори приводяться в обертання не турбінами, а двигунами внутрішнього згорання — дизелями . ДЕС служать для постачання електроенергією районів, які віддалені від лінії електропередачі і де неможливе спорудження теплових або гідроелектричних станцій. Потужність окремих стаціонарних дизельних електростанцій перевищує 2,2 Мвт.
Атомні електростанції (АЕС). У переважній більшості АЕС(атомна електростанція) паротурбінні. Від теплових електростанцій вони відрізняються тим, що замість парогенератора з топкою вони мають ядерний реактор, в якому енергія ділення ядер урану перетворюється на теплоту, що віддається теплоносію першого контура, найчастіше воді. У теплообміннику (парогенераторі) цей теплоносій передає теплоту робочому тілу (воді) другого енерговиробляючого контура, внаслідок чого робоче тіло (вода) випаровується, а отримана водяна пара прямує в парову турбіну. В деяких випадках, зокрема коли реактор охолоджується рідким металом, між першим і другим контуром з міркувань безпеки вводиться ще один проміжний контур з яким-небудь теплоносієм.
Перша в світі АЕС(атомна електростанція) (потужність 5000 квт ) була побудована в СРСР в 1954. У 1964 сумарна потужність АЕС(атомна електростанція) в світі склала 5 Гвт, а в 1974 — близько 40 Гвт. По прогнозах до 1980 в світі на АЕС(атомна електростанція) вироблятиметься близько 10% всієї електроенергії. Зміна структури енергетичного балансу на користь АЕС(атомна електростанція) визначається тим, що, хоча вартість встановленого квт на АЕС(атомна електростанція) приблизно на 80% вище, ніж на ін. теплових електростанціях, розрахункові витрати на виробництво електроенергії приблизно однакові. Надалі слід чекати підвищення вартості хімічного палива, що зробить АЕС(атомна електростанція) економічно вигіднішими.
Транспортні теплосилові установки. На автомобільному транспорті як двигуни застосовуються головним чином теплосилові установки — поршневі двигуни внутрішнього згорання із зовнішнім смесеобразованієм (карбюраторні двигуни) і з внутрішнім смесеобразованієм (дизелі). У ПДВС робочим тілом служать продукти згорання палива. У робочому циліндрі ПДВС здійснюються всі процеси, необхідні для перетворення теплоти в механічну енергію: у циліндр засмоктується топлівовоздушная суміш; тут же ця суміш згорає; продукти згорання, що утворилися, розширюючись, здійснюють корисну роботу, що віддається через поршень зовнішнім механічним пристроям; продукти згорання поршнем же виштовхуються з циліндра в атмосферу. Відмінність ПДВС перш за все визначається різними термодинамічними циклами і, як наслідок, виявляється в різному конструктивному оформленні. На залізничному транспорті до середини 20 ст основним двигуном була парова машина — поршнева машина, що працює па водяній парі, що генерується в отд.(окремий) паровому казані. У 70-х рр. основу локомотивного парку всіх промислово розвинених країн складають тепловози (локомотиви, оснащені потужним дизелем) і електровози . Перспективні газотурбовози . В судновій енергетиці використовують всі перераховані вище види теплосилових установок — від невеликих автомобільних двигунів до паротурбінних установок потужністю у десятки Мвт. В авіації для приведення в рух літальних апаратів служать наступні теплові двигуни: поршневі авіаційні двигуни, передавальні механічну енергію на повітряний гвинт: турбогвинтові двигуни, основна тяга яких створюється повітряним гвинтом, а додаткова тяга (8—12%) — в результаті виділення продуктів згорання; реактивні двигуни, тяга яких виникає при виділенні з великою швидкістю робочого тіла (продуктів згорання палива) з реактивного сопла (див. також Турбореактивний двигун, Рідинний ракетний двигун, Ракетний двигун ) .
Установки прямого перетворення теплової енергії. Розглянуті вище теплосилові установки перетворять теплоту в механічну енергію, яка на електростанціях перетворюється на електроенергію за допомогою електромеханічних генераторів або витрачається на рух в рухових установках. Проте можливо безпосереднє перетворення теплоти в електроенергію за допомогою так званих установок прямого перетворення енергії. Найбільш перспективні установки з магнітогідродинамічним генератором (МГД-генератором). Термодинамічний цикл електростанції з МГД-генератором, що працює на продуктах згорання органічного палива, аналогічний циклу газотурбінної установки. У камеру згорання подаються паливо і стисле повітря, заздалегідь підігріте до можливо вищої температури або збагачений киснем. Це необхідно, щоб тим або іншим способом отримати теоретичну температуру горіння палива — близько 3000 К. Прі такій температурі продукти згорання, до яких додають деяку кількість добавки, що іонізується, — лужний метал (найчастіше калій), переходять в стан плазми і стають досить електропровідними. У каналі МГД-генератора кінетична енергія плазми безпосередньо перетвориться в електроенергію в результаті взаємодії потоку плазми з нерухомим магнітним полем МГД-генератора. Після генератора продукти згорання тим або іншим способом охолоджуються, очищаються від присадки, що іонізується, і скидаються в димар. Потужність окремих МГД-генераторів на продуктах згорання складає декілька десятків Мвт (1975). Оскільки температура газів після генератора дуже велика (більше 2000 До), раціонально використовувати МГД-установку у комплексі із звичайною паротурбінною станцією. В цьому випадку теплота, що відбирається від газів, йде на виробництво пари для паротурбінної установки. Ккд такої комбінованої установки може досягати 50—60%. Таке підвищення ккд(коефіцієнт корисної дії) дуже поважно також з точки зору зменшення теплових викидів електростанцій в довкілля. Так, якщо прийняти, що ккд(коефіцієнт корисної дії) тепловій електростанції складає близько 40%, то при збільшенні ккд(коефіцієнт корисної дії) до 60% кількість теплоти, що скидається, зменшиться приблизно в 2,3 разу (при однаковій електричній потужності станцій).
Для малих енергетичних установок спеціального призначення, наприклад для бортових джерел електроенергії космічних кораблів, розробляються і знаходять вживання термоелектричні і термоемісійні установки прямого перетворення енергії. Термоелектричний генератор (ТЕГ) складається з двох напівпровідникових термоелементів з різним типом провідності — електронною і дірковою. З одного торця ці елементи з'єднуються між собою комутаційною пластиною, а до вільних їх торців приєднуються електричні контакти для підключення до зовнішнього ланцюга. Якщо торці (спаї) елементів підтримувати при різній температурі, то виникає термоелектрорушійна сила, пропорційна різниці температур торців. Коли ланцюг термоелементів замкнутий на зовнішній опір у ній виникає електричний струм, при протіканні якого в гарячому спаї почне поглинатися теплота, а в холодному — виділятися. Якщо нехтувати втратами джоулів в ланцюзі (див. Джоуля-Ленца закон ) і перетіканням теплоти теплопровідністю від гарячого спаю до холодного, то ккд(коефіцієнт корисної дії) термоелемента виявиться рівним ккд(коефіцієнт корисної дії) циклу Карно для температур відповідних температурам спаїв. Дійсні значення ккд(коефіцієнт корисної дії) термоелементів і складених з них ТЕГ істотно менше і досягають при різницях температур між спаями в 400—500 До в кращому разі декількох відсотків. Цим, а також високою вартістю самих термоелементів пояснюється мала поширеність ТЕГ, не дивлячись на їх крайню простоту і відсутність яких-небудь рухомих частин.
Простий термоемісійний перетворювач енергії (ТЕП) аналогічний двоелектродній електронній лампі (діоду ) . Якщо катод і анод лампи підтримувати при різних температурах, підводячи до катода теплоту і відводячи її від анода, то електрони, що вилітають з катода в результаті термоелектронної емісії, спрямуються до анода, заряджаючи його негативно. Якщо анод і катод в зовнішній цінуй з'єднати через який-небудь опір, то за рахунок різниці потенціалів в зовнішньому ланцюзі піде струм. Якщо нехтувати необоротними втратами, ккд(коефіцієнт корисної дії) ТЕП також близький до ккд(коефіцієнт корисної дії) відповідного циклу Карно. Реальний же ккд(коефіцієнт корисної дії) ТЕП не більше 7—8%, перш за все із-за великих втрат теплоти випромінюванням між катодом, що має температуру близько 2000 До, і анодом — близько 1000 К. ТЕГ і ТЕП представляють інтерес у поєднанні з ядерними джерелами теплоти, утворюючи повністю статичні автономні джерела електроенергії.
Літ.: Фаворський О. Н., Установки для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну, М., 1965; Алексєєв Р. Н., Перетворення енергії, М., 1966; Рижкин Ст Я,, Теплові електричні станції, М-код.—Л., 1967; Маргулова Т. Х., Атомні електричні станції, 2 видавництва, М., 1974; Магнітогідродинамічний метод здобуття електроенергії, ст 3, М., 1972.
