МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

2019-07-03

507

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

Общая энергетика

Методическое пособие к выполнению контрольного задания по дисциплине "Общая энергетика"

для студентов дневной и заочной форм обучения специальности

Направление подготовки: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Профиль программы бакалавриата: Электроснабжение

СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

Задача №1

На солнечной электростанции башенного типа установлено п гелиостатов, каждый из которых имеет поверхность F _г м². Гелиостаты отражают солнечные лучи на приемник, на поверхности которого зарегистрирована максимальная энергетическая освещенность Н _пр = 2,5 МВт/м^г. Коэффициент отражения гелиостата

R _г =0,8. коэффициент поглощения приемника А_пр =0,95. Максимальная облученность зеркала гелиостата H _г =600 Вт/м^г .

Определить площадь поверхности приемника F _пр и тепловые потери в нем, вызванные излучением и конвекцией, если рабочая температура теплоносителя составляет t °С. Степень черноты приемника е_пр =0,95. Конвективные потери вдвое меньше потерь от излучения.

Задача №2

Считается, что действительный КПД η океанической ТЭС, использующей

температурный перепад поверхностных и глубинных вод ( T ₁ - T ₂ )= ∆ T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, η _t ^k . Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t , °С, а температура воды на глубине океана t ₂ , °С. Какой расход теплой воды V , m /ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт ?

Считать, что плотность воды ρ= 1·10³ кг/м³ , а удельная массовая теплоемкость С _p = 4,2·10³ Дж/(кг-К).

Задача №3

Определить начальную температуру t ₂ и количество геотермальной энергии

Е _o (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р_гр = 2700 кг/ м³ ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С_гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент

( dT / dz ) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.

Среднюю температуру поверхности t_o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ= 1·10³ кг/м³ . Расчет

произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допустимую температуру пласта принять равной t ₁ =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ _o (лет)

при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м³/(с·км²). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально ( dE / dz ) _τ ₌₀ и через 10 лет ( dE / dz ) _τ ₌₁₀ ?

Задача №4

Определить мощность, вырабатываемую генераторами деривационной ГЭС (рис. 1) при условии, что глубина потока и ширина в безнапорном участке водовода одинаковы, по заданным параметрам.

Q_H (м³/с) - расход воды;

Z ₁ (м) - уровень напорного бассейна относительно уровня моря;

Z ₂ (м) - уровень воды в отводящем канале относительно уровня моря;

L (м) - длина безнапорного участка;

V ₆ (м/с) - скорость воды на безнапорном участке;

V _h (м/с) - скорость воды на напорном участке;

а (град.) - наклон на напорном участке;

d (м) - диаметр трубы напорного трубопровода;

^η _m - КПД турбин;

^η _г - КПД генераторов.

Рисунок 1 - Схема деривационной ГЭС 1 - водозаборное устройство; 2 - безнапорный участок водовода (лоток); 3 - опорная конструкция водовода; 4 - напорный участок водовода; 5 - здание ГЭС; 6 - поперечное сечение безнапорного участка водовода

№ варианта	Q _н (м³/с)	Z ₁ (м)	Z ₂ (м)	L (м)	V₆ (м/с)	V_h (м/с)	α (град)	d (м)	^η _m (о.е.)	^η _г (о.е)
1	0,91	34,00	54,00	108,00	0,16	1,60	34,00	0,85	0,80	0,89
2	0,91	98,00	143,00	58,00	0,52	2,40	23,00	0,69	0,80	0,81
3	0,48	3,00	60,00	74,00	0,72	2,30	75,00	0,52	0,88	0,83
4	0,88	9,00	89,00	99,00	0,20	2,30	23,00	0,70	0,90	0,88
5	0,65	0,00	63,00	68,00	0,68	2,70	40,00	0,55	0,85	0,89
6	0,13	75,00	78,00	115,00	0,16	2,10	24,00	0,28	0,87	0,88
7	0,54	84,00	182,00	17,00	0,32	2,50	65,00	0,52	0,81	0,83
8	0,68	72,00	173,00	61,00	0,72	1,90	51,00	0,68	0,87	0,89
9	0,71	4,00	39,00	53,00	0,60	2,20	76,00	0,64	0,83	0,89
10	0,97	22,00	117,00	54,00	0,28	0,40	22,00	1,76	0,88	0,83
11	0,08	74,00	170,00	8,00	0,36	1,50	47,00	0,26	0,83	0,83
12	0,62	86,00	147,00	19,00	0,32	1,10	31,00	0,85	0,81	0,84
13	0,18	8,00	79,00	68,00	0,68	2,90	56,00	0,28	0,83	0,83
14	0,52	95,00	161,00	66,00	0,28	2,70	23,00	0,50	0,90	0,85
15	0,26	36,00	97,00	117,00	0,68	2,10	23,00	0,40	0,83	0,83
16	0,14	32,00	119,00	70,00	0,52	3,20	62,00	0,24	0,90	0,80
17	0,79	77,00	134,00	109,00	0,64	2,80	56,00	0,60	0,88	0,82
18	0,83	90,00	154,00	15,00	0,56	1,90	18,00	0,75	0,87	0,83
19	0,76	18,00	46,00	15,00	0,40	3,00	35,00	0,57	0,88	0,88
20	0,74	18,00	55,00	82,00	0,80	2,80	45,00	0,58	0,86	0,85
21	0,68	93,00	138,00	26,00	0,64	3,10	78,00	0,53	0,90	0,82
22	0,70	76,00	106,00	54,00	0,04	0,80	42,00	1,06	0,85	0,87
23	0,18	29,00	60,00	67,00	0,28	2,30	34,00	0,32	0,87	0,84
24	0,47	90,00	179,00	93,00	0,28	1,30	16,00	0,68	0,89	0,87
25	0,24	58,00	117,00	80,00	0,76	2,70	50,00	0,34	0,84	0,81
26	0,94	36,00	102,00	91,00	0,28	1,80	30,00	0,82	0,83	0,83
27	0,22	59,00	104,00	78,00	0,08	0,80	60,00	0,59	0,88	0,81
28	0,33	98,00	138,00	57,00	0,64	3,10	8,00	0,37	0,83	0,86
29	0,71	81,00	113,00	27,00	0,44	1,50	3,00	0,78	0,88	0,85
30	0,91	34,00	54,00	108,00	0,16	1,60	34,00	0,85	0,80	0,89

Таблица 1. Исходные данные для расчёта.

Задача №5

Для отопления дома в течение суток потребуется Q ГДж теплоты. При использовании для этой цели солнечной энергии тепловая энергия может быть запасена в водяном аккумуляторе. Допустим, что температура горячей воды t ₁ ° С. Какова должна быть емкость бака аккумулятора V (м³), если тепловая энергия может использоваться в отопительных целях до тех пор, пока температура воды не понизится до t ₂ ° C ? Величины теплоемкости и плотности воды взять из справочной литературы.

Задача №6

Используя формулу Л. Б. Бернштейна, оценить приливный потенциал бассейна

Э _пот (кВт·ч), если его площадь F км², а средняя величина прилива R _ср м.

Задача №7

Как изменится мощность малой ГЭС, если напор водохранилища Н в засушливый период уменьшится в п раз, а расход воды V сократится на m % ? Потери в гидротехнических сооружениях, водоводах, турбинах и генераторах считать постоянными.

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ ЗАДАНИЯ

Номер зaдач	Величины и единицы их измерения	Численные значения величин, выбираемые по последней цифре шифра
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
1	n	243	253	263	273	283	293	303	313	323	333
	F_г ,м²	64	61	58	55	52	49	46	43	40	37
	t ,^oC	700	680	660	640	620	580	560	540	520	600
2	N ,МВт	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
	t₁ , ^o C	30	30	28	28	26	26	24	23	21	20
	t₂ ,° C	4	5	4	5	4	5	4	5	4	5
3	h, км	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
	z, км	2,5	3,0	3,5	4,0	3,5	3,0	2,5	4	3,5	3
	( dT/dz), ° C/км	75	70	65	60	55	50	45	40	35	30
5	Q, ГДж	0,56	0,58	0,60	0,62	0,64	0,56	0,64	0,62	0,60	0,58
	t₁ , ^o C	52	50	54	50	52	54	52	50	52	50
	t₂,° C	31	30	29	28	27	31	30	29	28	27
6	F ,км²	400	700	1000	1500	2000	2200	2500	3000	3500	4000
	R_ср ,м	8,0	7,5	7,2	7,0	6,8	6,5	6,0	5,4	5,2	5,0
7	n	3	2	1,2	1,5	3	2	1,2	1,5	3	2
	m	30	15	20	30	50	30	10	20	40	20

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Первая задача посвящена использованию солнечной энергии на электростанции башенного типа с использованием гелиостатов, отправляющих солнечные лучи на приемник, в котором, в конечном счете, получают перегретый водяной пар для работы в паровой турбине.

Энергия, полученная приемником от солнца через гелиостаты (Вт), может быть определена по уравнению [2, гл. 4-6; 2, гл. 6]:

Q = R _г ·А_пр· F _г Н_г ·п, (1.1)

где Н_г - облученность зеркала гелиостата в Вт/м² (для типичных условий H _г = 600 Вт/м²) ;

F _г - площадь поверхности гелиостата, м² ;

п - количество гелиостатов;

R _г - коэффициент отражения зеркала концетратора, R _г =0,7÷0,8;

A _пр - коэффициент поглощения приемника, А_пр < 1.

Площадь поверхности приемника может быть определена, если известна энергетическая освещенность на нем Н_пр Вт/ м^г ,

F _пр = Q / H _пр (1.2)

В общем случае температура на поверхности приемника может достигать

t _пов = 1160 К, что позволяет нагреть теплоноситель до 700 ^оС. Потери тепла за счет излучения в теплоприемнике можно вычислить по закону Стефана-Больцмана:

q _луч = ε_пр ·C_o·(T/100)⁴, Вт / м ² , (1.3)

где T - абсолютная температура теплоносителя, К;

е_пр - степень черноты серого тела приемника;

C_o - коэффициент излучения абсолютно черного чела, Вт / (м²· K ⁴ )

Вторая задача посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур ( ∆ T =15÷26 ^o C ) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5-9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше [л.6, гл.2]. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы "теплой" и "холодной" воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.

Если считать теплообменники (испаритель и конденсатор) идеальными, то тепловую мощность, полученную от теплой воды Q_o (Вт) можно представить как

Q ₀ = p · V · C_p · ∆ T , (2.1)

где р - плотность морской воды, кг/м³;

С_р - массовая теплоемкость морской воды, Дж/(кг · К);

V - объемный расход воды, м³/с ;

∆ T = T ₁ - T ₂ - разность температур поверхностных и глубинных вод

(температурный перепад цикла) в °С или К.

В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N ₀ (Вт) может быть определена как

N ₀ = η_t^k · Q_o , (2.2)

или с учетом (2.1) и выражения для термического КПД цикла Карно η_t^k :

N ₀ = p · C_p · V ·( ∆ T )²/ T _1. (2.3)

Третья задача посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру - скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры р_гр =2700 кг/м³ , а коэффициент теплопроводности λ_гр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом ( dT / dz ), измеряемым в °С/км или К/км .

Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м² (например Калининградская область). Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.

В полутермальных районах температурный градиент равен 40-80 °С/км (например, Северный Кавказ). Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.

В гипертермальных районах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км . Здесь целесообразно строить ГеоТЭС (2, гл. 15; 3, гл. 6; 7, 8).

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

T _г = T_o +( dT / dz )· z , (3.1)

где Т _o - температура на поверхности Земли, К (° С ).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км² поверхности F .

Теплоемкость пласта С_пл (Дж/К) можно определить по уравнению

C _пл =[α·ρ_в· C _в +(1- α)·ρ_гр· C _гр ]· h · F , (3.2)

где р_в и С_в- соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость

воды;

р_гр и С_гр - плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р_гр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т₁ (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

E ₀ = C _пл ·( T ₂ - T ₁ ) (3.3)

Постоянную времени пласта τ₀ (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м³/с) можно определить по уравнению:

τ₀= C _пл /( V · ρ _в ·С_в) (3.4)

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

E = E ₀ · e ^-( ^τ ^/ ^τ o ⁾ (3.5)

где τ - число лет с начала эксплуатации;

е - основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

(3.6)

Четвертая задача касается расчета параметров деривационной ГЭС

Порядок расчёта

Площадь живого сечения лотка на безнапорном участке (рис. 1):

Сторона смоченной поверхности (рис. 1):

a = .

Смоченный периметр:

χ = 3a.

Гидравлический радиус безнапорного участка водовода:

R =

Для определения потерь на трение на безнапорном участке определяется коэффициент Шези: C = R

где n - коэффициент шероховатости, который для бетонных лотков можно принять из диапазона 0,012-0,014.

Необходимый уклон на безнапорном участке определяют по формуле Шези: i =

Потери напора на напорном участке водовода:

∆ h_б = i ∙ L ,

где L – длина безнапорного участка водовода.

Длина напорного участка водовода: L _н = ( Z ₂ – Z ₁ )/ cos α

Потери напора на напорном участке водовода:

∆ h _н = (0,83∙λ∙ L _б ∙ Q _н ² )/ d ⁵ ,

где λ - коэффициент трения воды о стенки труб, принимается равным 0,02-0,03;

Q_н - действительный расход на напорном участке без учёта потерь на испарение воды на участке деривации;

d - диаметр трубопровода.

Мощность потока воды на уровне Z₂ без учёта потерь напора на закруглениях водовода:

Р = Q _н ∙ ρ ∙ g ∙( Z ₂ – Z ₁ - ∆ h _б -∆ h _н ) ,

где g - ускорение свободного падения;

p = 1000 кг/м³ - плотность воды.

Механическая мощность на валу турбины:

Р_мех = Р∙η_т.

Электрическая мощность генераторов деривационной ГЭС:

Р_эл = Р_мех∙η_г.

Пятая задача посвящена определению емкости водяного аккумулятора тепловой энергии, предназначенного для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилом доме. Источником тепловой энергии может быть, например, солнечная энергия, улавливаемая солнечными панелями па крыше дома. Циркулирующая в панелях вода после нагрева направляется в бак - аккумулятор, а оттуда насосом в отопительные батареи и к водоразборным кранам горячего водоснабжения. Могут быть и более сложные, комплексные системы аккумулирования тепла с использованием засыпки из гравия и др. [ 2, гл. 5, 16; 3, гл. 6].

Необходимый объем бака - аккумулятора V (м³) для воды можно определить по известному уравнению для изобарного процесса, если знать: суточную потребность в тепловой энергии для дома Q (ГДж); температуру горячей воды, получаемой в солнечных панелях t ₁ ⁰С; наименьшую температуру в баке t ₂ ° C , при которой еще возможно действие отопительной системы:

Q = ρ · V · C р·( t ₁ - t ₂ ) (5.1)

где р - плотность морской воды, кг/м³

С_р - удельная массовая теплоемкость воды при р = const в Дж/(кг · К)

Шестая задача посвящена оценке энергетического потенциала Э_пот

(кВт·ч) приливной энергии океанического бассейна, имеющего площадь F км², если известна средняя величина приливной волны R _ср м. В научной литературе существует несколько уравнений, позволяющих определить приливный потенциал бассейна. Одно из них предложено отечественным ученым Л. Б. Бернштейном [лб. гл. I ]:

Э_пот =1,97·10⁶· R ² _ср · F (6.1)

Седьмая задача посвящена оценке изменения мощности малой ГЭС при колебаниях расхода воды и напора. Известно, что мощность ГЭС (Вт) можно определить по простому уравнению [13]:

N =9,81· V · H ·η (7.1)

где V - объемный расход воды в м³/с ;

Н - напор ГЭС в м ;

η - КПД ГЭС, учитывающий потери в гидравлических сооружениях,

водоводах, турбинах, генераторах. Для малых ГЭС η ≈0,5.

КПД гидротурбин изменяется в пределах 0,5 ÷ 0,9.

2019-07-03

507

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

Обсуждение в статье: МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Обсуждений еще не было, будьте первым... ↓↓↓