Теплоэнергетика, отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием теплоты в др. виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счёт теплоты служат теплосиловые установки; полученная в этих установках механическая энергия используется для привода рабочих машин (металлообрабатывающих станков, автомобилей, конвейеров и т. д.) или электромеханических генераторов, с помощью которых вырабатывается электроэнергия. Установки, в которых преобразование теплоты в электроэнергию осуществляется без электромеханических генераторов, называются установками прямого преобразования энергии. К ним относят магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи энергии.
Преобразование теплоты в механическую энергию в теплосиловых установках основано на способности газо- или парообразного тела совершать механическую работу при изменении его объёма. При этом рабочее тело (газ или пар) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определённое количество теплоты Q1 и одному или нескольким источникам теплоты отдаётся количество теплоты Q2, меньшее, чем Q1; при этом разность Q1 – Q2 превращается в механическую работу Атеор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим кпд(коэффициент полезного действия) этого цикла
. (1)
В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой T1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой T2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале T1 — T2 наивысший кпд(коэффициент полезного действия) hк = 1 — T2/T1 среди всех возможных циклов имеет Карно цикл, то есть hк ht. Кпд, равный 1, то есть полное превращение теплоты Q1 в работу, возможен либо при T1 = ¥, либо при T2= 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Важно ещё подчеркнуть, что для земных условий температура Т2для теплоэнергетических установок должна в лучшем случае приниматься равной температуре Т0 окружающей среды (воздуха или водоёмов). Получить источник теплоты с температурой Т2 < Т0 можно лишь с помощью холодильной машины, которая для своего действия в общем случае требует затраты работы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела, участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.
Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в др. виды энергии, сопровождаются различными потерями, в результате чего получаемая действительная работа Адейств. оказывается меньше теоретически возможной работы Атеор. Отношение этих работ называется относительным эффективным кпд(коэффициент полезного действия) установки hoe, то есть,
. (2)
Из формул (1) и (2) получаем Адейств= Q1 × hthoe = Q1he,
где hе = hе×hoe — эффективный кпд(коэффициент полезного действия) установки. При прочих равных условиях эффективность преобразования теплоты в работу зависит от температуры, при которой эта теплота передаётся рабочему телу. Максимальная работа, которая может быть получена за счёт некоторого количества теплоты Q, отбираемого при температуре T1 при заданной температуре среды Т0, называется работоспособностью, или эксергией la этой теплоты, то есть
. (3)
Из формулы (3), в частности, видим, что при T1= T0 эксергия теплоты равна нулю.
В наиболее полном варианте установки, преобразующие теплоту в механическую работу (теплосиловые установки), включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу от какого-либо источника тепловой энергии; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела или отдающих ему работу; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменнике) и установки с внутренним подводом (рабочее тело — продукты сгорания топлива).
Тепловые электростанции. Основу современной Т. (1975) составляют теплосиловые установки паротурбинных электростанций, которые состоят из котлоагрегата и паровой турбины (так называемые паросиловые установки). В СССР на таких электростанциях в 1975 было выработано более 80% всей электроэнергии. В крупных городах чаще всего строятся теплофикационные электростанции(ТЭЦ), а в районах с дешёвым топливом — конденсационные электростанции(КЭС).
Отличие ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) от КЭС состоит в том, что ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) отдаёт потребителю не только электроэнергию, но и теплоту с сетевой водой, нагретой в бойлерах до 150—170 °С. Сетевая вода по магистральным теплопроводам подаётся в жилые массивы и далее либо непосредственно, либо через промежуточные теплообменники направляется на отопление и горячее водоснабжение. Турбины ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) помимо регенеративных отборов пара имеют один или несколько регулируемых теплофикационных отборов. Такая турбина работает по графику теплового потребления, и в наиболее холодное время года пропуск пара в конденсатор практически равен нулю. Отопление от ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) экономичнее, чем от индивидуальных и даже центральных котельных, так как на ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) сетевая вода подогревается отработавшим паром, температура (а значит, и эксергия) которого лишь немногим выше температуры сетевой воды. В котельных для повышения экономичности используется теплота при максимальной температуре горения топлива.
Упрощённая принципиальная схема конденсационной паротурбинной электростанции изображена на рис. В топке котлоагрегата сжигается топливо (уголь, мазут или природный газ). Необходимый для сгорания воздух, предварительно нагретый уходящими из котлоагрегата газами в рекуперативном воздухоподогревателе, подаётся в топку дутьевым вентилятором. Продукты сгорания отдают свою теплоту также воде и водяному пару в различных элементах котлоагрегата и с температурой 130—150 °С через золоуловитель поступают в дымосос, который выбрасывает их в дымовую трубу. Рабочее тело, преобразующее теплоту в механическую работу, — водяной пар. Перегретый водяной пар поступает из пароперегревателя и направляется в паровую турбину. Давление пара перед турбиной на крупных электростанциях достигает 35 Мн/м2при температуре 650 °С. В турбине пар поступает через неподвижные сопла в каналы, образованные криволинейными лопатками, закрепленными по окружности ротора, и, отдавая свою энергию, приводит ротор во вращение. Механическая энергия ротора турбины преобразуется в электроэнергию в электромеханическом генераторе. Паровая турбина чаще всего выполняется в двух или трёх корпусах. Пар, поступающий из первого корпуса турбины во второй, иногда вновь направляется в парогенератор для промежуточного перегрева в пароперегревателе. Отработав в турбине, пар конденсируется в конденсаторе, в котором поддерживается давление 0,003—0,005 Мн/м2 и температура 25—29 °С. Полученный конденсат насосом подаётся в систему регенеративных подогревателей (где подогревается до 230—260 °С за счёт теплоты пара, отбираемого из турбины), а затем насосом — в экономайзер. После экономайзера вода поступает в барабан котла, а из него в размещенные на стенах топки экранные трубы, в которых происходит частичное испарение воды и из которых образовавшаяся пароводяная смесь возвращается в барабан, где насыщенный пар отделяется от воды и направляется в пароперегреватель и далее в турбину, а вода возвращается в экранные трубы. Для генерации пара сверхкритических параметров (давлением свыше 24 Мн/м2) используют прямоточные котлы.
Охлаждающая вода подаётся в конденсатор из естественных или искусственных водоёмов и, нагревшись в конденсаторе на несколько градусов, сбрасывается в этот же водоём. В конечном итоге температура охлаждающей воды возвращается к прежнему уровню за счёт испарения некоторой её части. При отсутствии достаточно больших водоёмов охлаждающая вода циркулирует в замкнутом контуре, отдавая теплоту воздуху в испарительных охладителях башенного типа — градирнях. В районах с недостатком воды применяют так называемые сухие градирни (градирни Геллерта), в которых охлаждающая вода отдаёт теплоту воздуху через стенку теплообменника.
Одна из основных тенденций развития тепловых электростанций — увеличение мощности единичных агрегатов (парогенераторов и паровых турбин), что позволяет быстрыми темпами наращивать энерговооружённость народного хозяйства. В СССР (1976) на КЭС осваиваются энергетические блоки мощностью 800 Мвт (сооружается блок мощностью 1200 Мвт), а на ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) — 250 Мвт.
На газотурбинных электростанциях теплосиловая установка представляет собой газотурбинный двигатель (ГТД). В камеру сгорания ГДТ подаётся топливо (природный газ или мазут) и сжатый в компрессоре до нескольких Мн/м2 воздух. Сгорание топлива ведётся при больших коэффициентах избытка воздуха (2—4), что снижает температуру продуктов сгорания, которые направляются в газовую турбину. После турбины продукты сгорания либо отдают в регенераторе часть своей теплоты воздуху, направляемому в камеру сгорания, либо (в упрощённых схемах) сбрасываются в дымовую трубу. Механическая энергия ротора турбины в электромеханическом генераторе превращается в электрическую энергию и частично расходуется на привод компрессора. Газотурбинные электростанции применяются для энергоснабжения магистральных газопроводов (где есть горючий газ под давлением) и в качестве пиковых электростанций для покрытия нагрузок в часы «пик». К середине 70-х гг. суммарная мощность газотурбинных электростанций в мире превысила 2,5 Гвт.
Перспективны парогазотурбинные установки (ПГУ), в которых осуществляется комбинированный цикл газо- и паротурбинной установок. В зависимости от тепловой схемы различают: ПГУ, в которых пар давлением 0,6—0,7 Мн/м2 из высоконапорного парогенератора направляется в паровую турбину, а продукты сгорания — в газовую турбину, служащую для привода воздушного компрессора и электромеханического генератора; ПГУ, у которых горячие отходящие газы газотурбинной установки поступают в топку парового котла для повышения в ней температуры или же которые служат для подогрева питателя воды в экономайзере котла. В ПГУ по сравнению с паротурбинными установками (тех же мощности и параметров) удельный расход теплоты на 4—6% меньше.
На дизельных электростанциях (ДЭС), в отличие от тепловых и атомных электростанций, электромеханические генераторы приводятся во вращение не турбинами, а двигателями внутреннего сгорания — дизелями. ДЭС служат для снабжения электроэнергией районов, которые удалены от линии электропередачи и где невозможно сооружение тепловых или гидроэлектрических станций. Мощность отдельных стационарных дизельных электростанций превышает 2,2 Мвт.
Атомные электростанции (АЭС). В подавляющем большинстве АЭС(атомная электростанция) паротурбинные. От тепловых электростанций они отличаются тем, что вместо парогенератора с топкой они имеют ядерный реактор, в котором энергия деления ядер урана превращается в теплоту, отдаваемую теплоносителю первого контура, чаще всего воде. В теплообменнике (парогенераторе) этот теплоноситель передаёт теплоту рабочему телу (воде) второго энергопроизводящего контура, в результате чего рабочее тело (вода) испаряется, а полученный водяной пар направляется в паровую турбину. В некоторых случаях, в частности когда реактор охлаждается жидким металлом, между первым и вторым контуром из соображений безопасности вводится ещё один промежуточный контур с каким-либо теплоносителем.
Первая в мире АЭС(атомная электростанция) (мощность 5000 квт) была построена в СССР в 1954. В 1964 суммарная мощность АЭС(атомная электростанция) в мире составила 5 Гвт, а в 1974 — около 40 Гвт. По прогнозам к 1980 в мире на АЭС(атомная электростанция) будет вырабатываться около 10% всей электроэнергии. Изменение структуры энергетического баланса в пользу АЭС(атомная электростанция) определяется тем, что, хотя стоимость установленного квт на АЭС(атомная электростанция) примерно на 80% выше, чем на др. тепловых электростанциях, расчётные затраты на производство электроэнергии примерно одинаковы. В дальнейшем следует ожидать повышения стоимости химического топлива, что сделает АЭС(атомная электростанция) экономически более выгодными.
Транспортные теплосиловые установки. На автомобильном транспорте в качестве двигателей применяются главным образом теплосиловые установки — поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС) с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели). В ПДВС рабочим телом служат продукты сгорания топлива. В рабочем цилиндре ПДВС осуществляются все процессы, необходимые для преобразования теплоты в механическую энергию: в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь; здесь же эта смесь сгорает; образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, совершают полезную работу, отдаваемую через поршень внешним механическим устройствам; продукты сгорания поршнем же выталкиваются из цилиндра в атмосферу. Различие ПДВС прежде всего определяется разными термодинамическими циклами и, как следствие, проявляется в различном конструктивном оформлении. На железнодорожном транспорте до середины 20 в. основным двигателем была паровая машина — поршневая машина, работающая па водяном паре, генерируемом в отд.(отдельный) паровом котле. В 70-х гг. основу локомотивного парка всех промышленно развитых стран составляют тепловозы (локомотивы, оснащенные мощным дизелем) и электровозы. Перспективны газотурбовозы. В судовой энергетике используют все перечисленные выше виды теплосиловых установок — от небольших автомобильных двигателей до паротурбинных установок мощностью в десятки Мвт. В авиации для приведения в движение летательных аппаратов служат следующие тепловые двигатели: поршневые авиационные двигатели, передающие механическую энергию на воздушный винт: турбовинтовые двигатели, основная тяга которых создаётся воздушным винтом, а дополнительная тяга (8—12%) — в результате истечения продуктов сгорания; реактивные двигатели, тяга которых возникает при истечении с большой скоростью рабочего тела (продуктов сгорания топлива) из реактивного сопла (см. также Турбореактивный двигатель, Жидкостный ракетный двигатель, Ракетный двигатель).
Установки прямого преобразования тепловой энергии. Рассмотренные выше теплосиловые установки преобразуют теплоту в механическую энергию, которая на электростанциях превращается в электроэнергию с помощью электромеханических генераторов либо затрачивается на движение в двигательных установках. Однако возможно непосредственное преобразование теплоты в электроэнергию с помощью так называемых установок прямого преобразования энергии. Наиболее перспективны установки с магнитогидродинамическим генератором (МГД-генератором). Термодинамический цикл электростанции с МГД-генератором, работающим на продуктах сгорания органического топлива, аналогичен циклу газотурбинной установки. В камеру сгорания подаются топливо и сжатый воздух, предварительно подогретый до возможно более высокой температуры либо обогащенный кислородом. Это необходимо, чтобы тем или иным способом получить теоретическую температуру горения топлива — около 3000 К. При такой температуре продукты сгорания, к которым добавляют некоторое количество ионизирующейся добавки — щелочной металл (чаще всего калий), переходят в состояние плазмы и становятся достаточно электропроводными. В канале МГД-генератора кинетическая энергия плазмы непосредственно преобразуется в электроэнергию в результате взаимодействия потока плазмы с неподвижным магнитным полем МГД-генератора. После генератора продукты сгорания тем или иным способом охлаждаются, очищаются от ионизирующейся присадки и сбрасываются в дымовую трубу. Мощность отдельных МГД-генераторов на продуктах сгорания составляет несколько десятков Мвт (1975). Так как температура газов после генератора очень велика (более 2000 К), рационально использовать МГД-установку в комплексе с обычной паротурбинной станцией. В этом случае теплота, отбираемая от газов, идёт на производство пара для паротурбинной установки. Кпд такой комбинированной установки может достигать 50—60%. Такое повышение кпд(коэффициент полезного действия) очень важно также с точки зрения уменьшения тепловых выбросов электростанций в окружающую среду. Так, если принять, что кпд(коэффициент полезного действия) тепловой электростанции составляет около 40%, то при увеличении кпд(коэффициент полезного действия) до 60% количество сбрасываемой теплоты уменьшится примерно в 2,3 раза (при одинаковой электрической мощности станций).
Для малых энергетических установок специального назначения, например для бортовых источников электроэнергии космических кораблей, разрабатываются и находят применение термоэлектрические и термоэмиссионные установки прямого преобразования энергии. Термоэлектрический генератор (ТЭГ) состоит из двух полупроводниковых термоэлементов с разным типом проводимости — электронной и дырочной. С одного торца эти элементы соединяются между собой коммутационной пластиной, а к свободным их торцам присоединяются электрические контакты для подключения к внешней цепи. Если торцы (спаи) элементов поддерживать при различной температуре, то возникает термоэлектродвижущая сила, пропорциональная разности температур торцов. Когда цепь термоэлементов замкнута на внешнее сопротивление, в ней возникает электрический ток, при протекании которого в горячем спае начнёт поглощаться теплота, а в холодном — выделяться. Если пренебречь джоулевыми потерями в цепи (см. Джоуля-Ленца закон) и перетоком теплоты теплопроводностью от горячего спая к холодному, то кпд(коэффициент полезного действия) термоэлемента окажется равным кпд(коэффициент полезного действия) цикла Карно для температур, соответствующих температурам спаев. Действительные значения кпд(коэффициент полезного действия) термоэлементов и составленных из них ТЭГ существенно меньше и достигают при разностях температур между спаями в 400—500 К в лучшем случае нескольких процентов. Этим, а также высокой стоимостью самих термоэлементов объясняется малая распространённость ТЭГ, несмотря на их крайнюю простоту и отсутствие каких-либо движущихся частей.
Простейший термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП) аналогичен двухэлектродной электронной лампе (диоду). Если катод и анод лампы поддерживать при разных температурах, подводя к катоду теплоту и отводя её от анода, то электроны, вылетающие из катода в результате термоэлектронной эмиссии, устремятся к аноду, заряжая его отрицательно. Если анод и катод во внешней цени соединить через какое-либо сопротивление, то за счёт разности потенциалов во внешней цепи пойдёт ток. Если пренебречь необратимыми потерями, кпд(коэффициент полезного действия) ТЭП также близок к кпд(коэффициент полезного действия) соответствующего цикла Карно. Реальный же кпд(коэффициент полезного действия) ТЭП не более 7—8%, прежде всего из-за больших потерь теплоты излучением между катодом, имеющим температуру около 2000 К, и анодом — около 1000 К. ТЭГ и ТЭП представляют интерес в сочетании с ядерными источниками теплоты, образуя полностью статичные автономные источники электроэнергии.
Лит.: Фаворский О. Н., Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, М., 1965; Алексеев Г. Н., Преобразование энергии, М., 1966; Рыжкин В. Я,, Тепловые электрические станции, М.—Л., 1967; Маргулова Т. Х., Атомные электрические станции, 2 изд., М., 1974; Магнитогидродинамический метод получения электроэнергии, в. 3, М., 1972.
