скачать doc
Методы преобразования энергии
Энергия - мера работы, произведенной технической или биомеханической системой.
Энергия - единая мера различных форм движения. Разгон тела массой m под действием силы F.
Общий принцип передачи энергии состоит в создания источника силы, действующей на объект и перемещающийся с переменной скоростью.
При остановке движущегося тела энергия передается препятствию.
где t - время падения скорости до нуля.
Целью преобразования энергии является удовлетворение человеческих потребностей.
Преобразование вида энергии: преобразование качества, преобразование вида движения, преобразование характера движения
Виды энергии:
механическая энергия - энергия механического движения и взаимодействия через силу объектов (газы, жидкости, твердые тела)
внутренняя
кинетическая энергия хаотично движущихся частиц (тепловая) – (Т)
потенциальная энергия взаимодействия частиц (механическая) – (М)
энергия взаимодействия атомов в молекулах (химическая) – (Х)
энергия электронных оболочек (электрическая) – (Э)
внутриядерная энергия (Я)
энергия электромагнитного излучения (ЭМ)
Кинетическая энергия - мера механического движения, измеряемое работой, которое может совершить тело до полной остановки.
Потенциальная энергия - зависит от расположения тел.
Источник сил является поле. Виды энергии отличаются объектом (носителем движения).
ЭнергияНосительМеханическая (М)
Тепловая (Т)
ЭМ
Электрическая (Э)
Химическая (Х)
Ядерная (Я) или
Атомная (А)Вся масса тела
Колеблющиеся частицы тела
Фотоны, молекулы, атомы, поле частицы, кванты
Заряды, поле созданное ими
Молекулы, комбинации атомов
Нуклоны, протоны, нейтроны и др.
Метод = способ + устройство
Способ - последовательность действий, приводящая к данной цели.
Устройство - конструкция материальных объектов, реализующих данный способ.
Алгоритм преобразования энергии
Накопление преобразуемой энергии.
Хранение преобразуемой энергии.
Передача к преобразователю.
Взаимодействие (передачу) энергии от первичного носителя к вторичному.
Хранение преобразованной энергии.
Использование.
Все этапы преобразования сопровождаются потерями энергии (утечки, ответвления), т.е. преобразование в третий вид энергии.
Потери не нарушают законов сохранения и превращения, а просто характеризуют любую систему как незамкнутую. В замкнутой системе полная энергия не изменяется, движение материи вечно, оно может переходить из одного состояния в другое. Мерой потерь является КПД.
Э1 Э2
Э`1 Э`2 Э`3 - потери Э=Э`1+Э`2… Э`3
=0.01-0.99
Не все прямые преобразования возможны технически, поэтому чаще всего используют каскадные преобразователи. Они используются более массово.
1 2
Э1 П1 Э2 П2 Э3
Мощность
Энергия характеризуется регулируемостью (дозированием) и мощностью потока энергии.
Мощность - скорость передачи энергии.
Механическая энергия.
Источники
Способы хранения и накопления.
Способы транспортировки.
Потери
Источники
Мускульная энергия - двухступенчатый преобразователь Х в Э, Э в М.
Тепловая машина. Сила в них возникает из-за разницы давлений с двух сторон подвижной стенки: поршня или лопатки турбины.
Электрические двигатели (ЭМ, пьезоэлектрические, емкостные)
Гидроэнергия
Солнце вода испарения конденсация стекание
Приливные станции - вод действием луны мировой океан меняет свою глубину в различных местах.
5. Энергия ветра
Способы хранения и накопления.
Вращающаяся масса m:
r m -для точки момент инерции
Fц
Для избежания разрушения оси в результате действия Fц накапливают ограниченную энергию. Пределом накопленной энергии является механическая прочность конструкции.
На маховик не действует такая сильная Fц.
R
r
Кинетический накопитель энергии используют в системе гарантированного питания на ответственных объектах.
Задача рассчитать Pдв для раскрутки колеса при посадке ЛА.
Быстровращающийся маховик стремится сохранить положение оси вращения в пространстве. При попытке повернуть ось вращения возникает прецессия - возвращение оси на место. Используется в гироскопах. Гиродин - быстровращающаяся масса, используется как точка опоры при ориентации космического корабля. Для компенсации гироскопического момента как для сохранения инерции используется 2 маховика, вращающихся в разные стороны.
Здесь отсутствует гироскопический эффект.
Физической причиной ограниченной энергоемкости является прочность материала маховика.
Fпр m Fц
V углерод – наиболее прочный маховик.
Расчёт космических скоростей
Радиус земли r=6370км, масса земли
Первая космическая скорость , где r - радиус земли
Потенциальная энергия раздвигаемых масс,
Энергия деформируемых твердых тел, энергия сжатых газовых объемов.
n – кол-во витков
D – диаметр
Е – модуль упругости
d – диаметр проволоки
Передача механической энергии.
Линейные
тяги, рычаги тяга
трос
С преобразованием давления линейного во вращательное.
Шатун
Передача вращательной энергии: зубчатые колеса, фрикционная, ременная передачи.
Потери механической энергии-
Возникают при процессах хранения и передачи Э. Основной причиной является трение.
Fn
Fтр V
Fт
потери превращаются в тепловую энергию
В подшипнике возникает трение.
Fтр.ск
Fтр.кач
Деформация поверхности вызывает
Fn R Fтр.кач
К- коэффициент, зависящий от поверхности качения[см].
МатериалК[см]Материал0,95
0,35
0,02-0,08
0,003Сталь - точило
Шина - дорога
Стальной подшипник
Сустав0,05
0,02
0,001Сталь – рельс
Шина – асфальт
Шарикоподшипник
При создании кинетических накопителей энергии переходят на аэродинамические без опорные подшипники и электромагнитные подвески.
Силы трения при движении в газовой и жидкой среде.
Силы аэродинамического и гидродинамического трения.
S[ ] – мидель – площадь проекции движущегося тела на плоскость, перпендикулярную вектору скорости движения.
V Fторм
Fторм зависит от: - плотность среды, - скорости движения.
ФормаСwПластина
Крыло
Автомобиль1,1
0,08-0,2
0,3-0,4
Мощность и энергия потока
l S
M V
*
справедливо для наблюдателя в *
- энергия, прошедшая за время t через S со скоростью V.
лопасти
Fвр F F0
Радиально-упорный подшипник
S P1 P2 Fопоры
V
То же самое в ветряках.
S Мощность q рассчитывается для площади, ометаемой лопастями турбины.
Кольцевой геликоид однолопостной винт Архимеда, геликоидная турбина со спиральнами полостями имеет =0,8;
Колебательное волновое движение
Колебательное движение - периодическая смена энергий: кинетическая- потенциальная- кинетическая.
Вывод формулы для частоты колебаний на основе закона сохранения энергии.
Волны – распространяются в веществе или в поле колебания какой-либо физической величины, характеризующей какое-либо состояние вещества. Для волн на поверхности жидкости – распространение геометрической неоднородности, для внутренней среды – волны давления и скорости.
Объемная плотность энергии
Распространение волн – вовлечение в колебательное движение все более удаленных областей от источника колебания. На это затрачивается энергия.
Интенсивность – количество, переносимое волной за 1 секунду сквозь единичную площадь поверхности, нормальную к распространению.
Для плоской волны
V- скорость распространения волны.
Тепловая энергия
Интенсивность хаотичных колебаний частиц характеризуется температурой.
1ккал T=1C 1л воды 15C
1 кал=4,18Дж
1 тонна условного топлива (1тут=1тугля= )
Основным источником является:
солнечная энергия
химическая энергия окисления (сжигание органического топлива)
ядерная реакция
Взрыв – процесс быстрого выделения энергии.
Аккумулирование – нагрев путем контакта объема для хранения энергии с источником.
Теплоемкость –количество тепла, накопленного телом прямо пропорциональная массе
тепла и его Т.
Q=MCT
МатериалС, Дж/г*КПарафин
Железо
Воздух3
0,4
0,026II закон термодинамики объясняет передачу тепла (энергии) от более нагретого к менее нагретому.
Всякая физическая система со свободным обменом энергии между элементами стремится к состоянию с более равномерным распределением энергии.
Применительно к температуре – стремится к уравновешиванию.
Система из частиц, обладающих энергией занимает более статистически вероятное состояние (реализованное большим числом способов) и находится в этом состоянии.
Энтропия – логарифм числа состояний.
Всякая система движется в сторону увеличения энтропии и находится в состоянии, способ реализации которого больше.
Кол-во молекулЕдиницы энергииЭнтропияЧисло способов5
10
205
10
157,6
11,6
21,32000
108256
1852967520
Способы передачи тепловой энергии
Массоперенос нагретых тел. В качестве тел используют газ, жидкость…
Тгор теплопередача
Тхол
Q` – секундный расход тепловой энергии, передаваемый горячим потоком.
V – секундный объемный расход вещества
g – удельная масса теплоносителя
с - удельная теплоемкость теплоносителя
Изучение в инфракрасном диапазоне частот
Коэффициент теплопередачи излучения
0(блестящее)-1(черное) [S] - поверхность излучения
пластина - 2S
Энергия излучения, доходя до другого тела, разделяется на 2 потока, независимо от температуры этого тела – поглощенная и отраженная.
Т2 Qизл2 Q2
Qотр Qотр2 Т1
Qпад1 Qизл1
Q1 – тепловая энергия от стенки с температурой T1, падающая на стенку с температурой T2.
Термос имеет наружную зеркальную поверхность с 0 чтобы Qизл. Тепловая энергия состоит из 2-х составляющих: Qизл и Qотр.
Конвекция предполагает охлаждение или нагрев от тела газом или жидкостью и перемещающей у поверхности тела. В ряде случаев применяют принудительную конвекцию(она в 5-10 раз эффективней).
Вещество Воздух
Вода
Пар
Масло6-10
5000
10000
70
Теплопроводность – передача тепла при контакте тел без их перемещения.
Вещество Вата
Al
Fe
Стекло, камень0,02
180
47
0,8-1
T1 S Т=Т1-Т2
L T2
Способы и устройства хранения тепла.
Хорошей теплоизоляцией обладают пористые вещества с ограниченным перемещением воздушных масс, а также герметичные вакуумные (без воздуха) прослойки(термосы).
Тепловой поршневой двигатель.
Нагретый газ в данном объеме имеет повышенное p, так как:
l S
P
QтTp движение стенки –механическая работа
удельная теплоемкость газа, энергия, которую нужно затратить, чтобы нагреть 1 на 1К.
R – универсальная газовая постоянная, равная работе, совершенной 1 молем газа при нагревании на 1К.
=0,6-0,76 - расчетные
=0,35-0,4 - достигнутые
Происходит это из-за того, что невозможно охладить газ до температуры среды – выброс горячего газа, трение, вспомогательные устройства (транспорт, производство).
Тепловые реактивные двигатели.
Принцип реактивного движения – выбрасывание массы относительно тела.
V1 V
Fp m
Fp – сила реакции (реактивная сила) V0- скорость движения тела (ракеты)
Увеличить скорость можно только за счет увеличения скорости истечения, и за счет увеличения массы, выброшенной ракеты.
Уравнение Циолковского
Полезной энергией РД является кинетическая энергия ракеты
, после выработки всего топлива.
- допускаем, что вся тепловая энергия топлива Эт переходит в
кинетическую энергию продуктов сгорания Этк.
1/91/991/999
0,590,210,043
при V0=0
Для повышения КПД используют многоступенчатые ракеты.
Многоступенчатая ракета
Vк1 – скорость после срабатывания 1-ой ступени.
Задача.
Рассчитать Т шара из металла, который находится на орбите земли без собственных источников тепла Тш=const по всей поверхности шара.
R- расстояние до солнца, Тс- температура солнца, r- радиус шара.
Планета ТКТСМеркурий
Венера
Земля
Марс579
108
150
223467
342
291
235+134
+69
+18
-38Этот расчет объясняет, почему для нас благоприятна температура +18.
Задача.
Рассчитать Тск в скафандре, находящемся в открытом космосе. В космосе температура объектов зависит от площади миделя и площади объекта. Будет считать, что перепад температуры человек – скафандр равен 0.Энергия выделяющаяся человеком 160Вт.
(-200С). Человек замерзнет.
Задача.
Рассчитать Тчел в скафандре, окруженной экранно-вакуумной изоляцией.
экран
человек Р
+
скафандр Риэ
Рнс Рос
температура станет больше в раз, при
Каждый слой ЭВИ увеличивает температуру в раз. Для увеличения температуры человека в космосе до 291 надо 2 слоя экранно-вакуумной изоляции.
Разбор задач.
Задача
Масса теплоотвода, излуч. 40Вт весит 20кг. Удельная его масса – 0.5кг/Вт, Tрадиатора=300К.
Найти толщину этого радиатора из Al, l=?
q(Al)=2.7г/смі. , , l=9м.
Задача
Подсчитать энергию, поступающую в тепловой коллектор в течение всего солнечного дня. Он стационарен. S=1.5мІ, Pуд=1000Вт/мІ (1360Вт/мІ),
T=15часов,
Берём максимальное значение
Задача
Человек в покое за 1 час передаёт 69ккал. При нагрузке – в 6 раз больше. Подсчитать P отдаваемую человеком в скафандре вблизи земли и освещённым солнцем при этих двух режимах. ε=0.1, Pсолнца=1300Вт/мІ.
0.5м
Pс=1300Вт/мІ
2м
Pизл
Pпогл
Pотр
В космосе поглощённая энергия от солнца + выделенная энергия отводится только излучением. При освещении криволинейных поверхностей в расчетную формулу ставится площадь миделя.
Задача
Подсчитать ΔT генератора, охлаждаемого парафином. S=5кВт, t=10мин, η=0.8.
Всё тело на нагрев. Мп=3кг, Мг=5кг, Сп=3,27, Сг=0.45.
, допущение ,
Электроэнергия
Параметры элементарных носителей. Электрон.
Fг – гравитационная сила, Fэ – кулоновская сила.
Направленное движение заряженных частиц – электрический ток.
Источником энергии является ЭДС. Он должен в течение времени поддерживать U и пропускать ток. Движущиеся электрические заряды взаимодействуют между собой с силами, которые
убывают ~ 1/r.
Законы Электромагнетизма.
1. Поток напряжённости электромагнитного поля сквозь замкнутую поверхность = заряду внутри замкнутой поверхности.
шар S=4πr²
2. Циркуляция вектора Е по замкнутому контуру С равна производной по времени потока вектора В сквозь замкнутую поверхность S охваченную этим контуром.
3. Поток вектора В сквозь любую замкнутую поверхность равен 0.
Магнитных разрядов не существует.
4. . Циркуляция вектора В по замкнутому контуру С равна производной по времени потока вектора Е сквозь замкнутую поверхность S с + электрический ток сквозь поверхность S.
;
Магнитное поле возникает под действием, либо постоянного электрического тока, либо меняющегося магнитного поля.
сила, действующая на движущийся заряд
Для электрических и магнитных полей действуют принципы суперпозиции.
Источники электрической энергии.
Механические, электрические машины.
Отделение внешних валентных электронов возникает из-за трения. Электризация обшивки машин и самолётов.
Последствия: вредное действие на водителя. Защита через заземление.
Тепловая
Эффект Пельтье
термопара
Кроме электронов носителями энергии могут быть ионы (электролиты).
При получении электроном 1эВ его скорость достигает
При протекании тока скорость электронов , но скорость установления тока и поля равна скорости света. Свободный пробег . Всякое столкновение движущегося электрона приводит к выделению тепла.
Закон Ома.
Максимальное использование электрической энергии источника.
Задача максимизации мощности, выделяемой в нагрузке, возникает, если надо учитывать внутреннее сопротивление Ri.
Задача
Дано: Е, Ri, ЭRн=мах.
Найти: Rн. 1) при постоянно включённой Rн; 2) при импульсном включении.
максимальная мощность, которую можно получить от источника 25% от Pмах
при .
Введение импульсного режима не повлияет на Pмах и оптимальный.
Химические источники электроэнергии.
Содержат электроды, электролит и электрическую цепь, соединяющую электроды.
Топливные элементы – это разновидность источника, в которых реакция преобразования химической энергии в электрическую поддерживается подачей взаимодействующих реагентов.
Нужно топливо и окислитель. Водородно-кислородный топливный элемент.
Солнечные источники электрической энергии (солнечные батареи). Преобразовывают электромагнитную энергию в электрическую.
Термоэмиссионный источник электрической энергии. Собирание электрических зарядов, которые покидают сильно нагретое тело.
Тепловые источники электрической энергии с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую.
Важный параметр – рабочая температура.
, для термоэмиссионных и термоэлектрических.
Для повышения и температуры применяют тепловые фокусирующие устройства.
Задача
Дано: P
Найти: S при заданном ΔT.
термоизоляция
Трансформаторно- полупроводниковый преобразователь энергии, повышающий напряжение.
TV – повышающий трансформатор
Магнитогидродинамический генератор электроэнергии.
электроды магнитная цепь
____+ ____+ ____+ ____+ ____+
пламя В В В
____ В___ В___ ____ ____
- - - - -
топка – МГД – турбина – ЭМГ
Пьезоэлектрические источники энергии.
Использование эффекта возникновения статических зарядов на деформированном кристалле.
Атомные батареи источники электрических зарядов с использованием радиоактивных минералов.
Транспортировка электроэнергии.
Способы:
По поводам. Вакуумные пучки – повышенная плотность тока, меньше потери. Преобразование в другие виды энергии.
Накопитель электроэнергии.
Конденсатор – накопитель энергии постоянного тока.
С - ёмкость [Ф]=[Ф/м]*[мІ/м]
Процесс заряда конденсатора. КПД заряда конденсатора.
Физической причиной снижения до 50% является
большой всплеск тока. Для ограничения бросков тока применяют L и R.
Повышение - включение дросселя.
Заряд постоянным током
Заряд конденсатора от источника тока может быть остановлен только отключением от цепи заряда. Если это не сделать, то напряжение будет расти, пока не пробьёт диэлектрик.
При заряде от источника напряжения, максимальное Uc равно напряжению источника.
Если заряжаем через дроссель, то максимальное напряжение равно удвоенному напряжению источника.
;
Для увеличения η надо увеличить I и .
Индуктивный накопитель электроэнергии.
1)
. Так как нет возможности пробоя, то L более емкий накопитель.
Сверхпроводимость.
La-Ba-Cu-O Переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 45˚К (27.01.1996)
La-Sr-Cu-O
N2- жидкий при 77˚К
Применение: создание сильных магнитных полей. , B=1Тл
1) Конструкция ТОКАМАX
сверхпроводящая катушка
плазма
магнитопровод
2) Сверхпроводящий ограничитель тока
R
3) Сверхпроводимые обмотки двигателей (фирма Rockwell)
Если в моторе мощностью 10000л.с. обмотки заменить на сверхпроводники, то объём и масса уменьшаться в два раза. Экономия электроэнергии в год 100тыс. $.
4) Накопитель энергии . Для источников бесперебойного питания(UPS).
Системы электроснабжения с комбинированным использованием электроэнергии.
1) 100% потери 62% 2% розетка радиатор
ЭЭ
38% 36% используется
η=38%
2) 100% потери 15% 1% розетка29%
30% ЭЭ
79% используется
ТЭ 55% теплотрасса 5%
радиатор 50%
3) Децентрализованное электро- и теплоснабжение
потери 10% 36%
37% 1%
100% 87% используется
51%
53% 2%
Стоимость потерь электроэнергии и выбор электротехнического оборудования обеспечивает максимум экономического эффекта.
Задача. Какое оборудование выгоднее – за 8000Dm с =97% или за 10000Dm c =98%?
8000Dm η=97%
50кВт
10000Dm η=98%
5 лет 8000часов/год
1Вт потерь за 5 лет: 10Dm – 0.25Dm/кВт*час
Если за 8000, то за потери 12300Dm => Σ 20300Dm.
Если за 1000, то за потери 8100Dm => Σ 18100Dm.
Экономия 2200Dm.
Преобразование и регулирование электрической энергии.
Преобразователи:
выпрямитель конвертор инвертор циклоконвертор
Показатели качества:
Uн, Iн, Pн, ±ΔUн, f, ±Δf, содержание высших гармоник, импульсные помехи, гальваническая связь.
Виды: 1) линейный. -: увеличение мощности при увеличении ΔU
+: отсутствие искажений формы
2) ключевой -: высшие гармоники, искажения
регулятор +: малые потери
Rрег S
Uвх Rн Uн Rн Uн
t0
T
Показатели качества импульсного регулятора:
1) Ucр, Ud
2) пульсации
Напряжение высших гармоник прикладывается к L, а I протекает через С.
Потери энергии в ключевых преобразователях и регуляторах
Открытое состояние ключа
Закрытое состояние ключа
Переходной процесс ключа:
Потери в стали (магнитопроводе)
Потери в конденсаторе
Энергетические методы расчёта переходных процессов в LC цепях
Задача
Для схемы ключевого регулятора происходит отключение нагрузки. Подсчитать амплитуду напряжения на конденсаторе после отключения нагрузки.
После отключения нагрузки ток дросселя будет уменьшаться, и будет протекать в том же направлении, заряжая конденсатор. Это будет происходить, пока вся энергия не перетечёт на конденсатор.
Структурная схема агрегата бесперебойного питания (UPS)
1) Полное преобразование
сеть компьютер
АБ
2)
сеть
АБ
Тороидальная катушка
Рассчитать Э проводника длиной l.
Допущение: пренебрегаем краевым эффектом.
Структурная схема преобразователь частоты
V1, V4
V2, V3
T/2 T
U1, f1 U2, f2
Um. среднеедействующеедейств./средн.амплитуда/действ.
0.636
0.707
1.111.414
1
1
11
0.5
0.577
1.1541.732
0.303
0.5
1.5632
Электромагнитная энергия
Теоретическая основа электромагнетизма : уравнения Максвела.
В интегральной форме
закон полного токаВ дифференциальной форме
Объясняют электромагнитную волну. Её возникновение и распространение
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея)
E(y) и B(x) повёрнуты на 90˚ и смещены по фазе на 90˚.
Непрерывность магнитного потока
В электромагнитной энергии носителем является само поле. Скорость распространения – скорость света. В средах, где μ и ε отличаются от единицы, скорость может меняться.
- длина волны [м], f- частота [1/сек].
Источники ЭМ излучения
При переходе электронов с одной орбиты на другую выделяется энергия (квант).
Колебательный контур – накопление ЭМ энергии.
Диполь тоже источник излучения
Космические лучи
Сверхдлинные волны (связь подводных лодок)
Видимый спектр частот
Мощность излучения P.
Земля является поглотителем ЭМ колебаний и излучатель должен быть вертикальным.
Транспортировка ЭМ энергии – излучением ЭМ волн.
Лазер – излучение строго постоянной длины волны. Луч малого рассеивания, не меняет форму. По волноводу хорошо распространяется на 3-4км.
Задача
1) На орбите Земли мощность излучения Солнца Pуд=1300Вт/мІ. Рассчитать давление света .
2) Рассчитать массу паруса, который позволил бы обеспечить движение на орбите Земли.
Солнце Fг - гравитационная
При условии когда, парус вращается со скоростью Земли, любая сила будет толкать парус от Солнца. Fc>Fг – начало движения.
; ; ;
ЭМ излучение – это высокочастотное электрическое Em и магнитное поле Hm.
Защита от ЭМ излучения
Электрические схемы с диодами и транзисторами рождают высокий уровень ЭМ излучения из-за быстрого восстановления запирающих свойств.
при быстром изменении тока е возрастает
Меры: герметизация конструкций, окружение поглощающими экранами, удаление на безопасные расстояния.
Изменить поведение человека (2-5Вт/кг) может сотовый телефон (GSM – 3Вт/кг, Dect – 4.6Вт/кг).
Концентрированное лазерное излучение повышает температуру:
1гр кремния может накопить и выделить 40кВт.
Задача
Расчёт среднего значения КПД.
Рабочее время 24ч. Перерыв в сети 1ч.
η1=0.95, η2=0.9, ηab=0.6
23ч. -
1ч. -
Задача
Самолёт на солнечных батареях взлетает через 2ч. после рассвета. Летит 8ч. и поднимается на 25км. T светового дня 12ч. Размах крыльев 49м. Ширина –0.4м. .
Найти энергию солнечных батарей за время полёта.
T=8ч. τ=24ч.
Задача
Доза излучения, поглощаемого оболочкой космического аппарата . Сколько поглотится за год. , .
Химическая энергия
Материальными носителями химической энергии являются электронные оболочки и атомов и молекул.
Любое вещество является накопителем химической энергии.
Химическая энергия топлива – нефть, уголь, газ.
Из всей энергии Солнца, попадающей на землю, 1% связан с органическим веществом - фотосинтез.
“Формула Жизни”
свет газ вода кислород углеводы
- сахар (глюкоза), - метан
+искра→взрыв
Процесс фотосинтеза: земные растения – 1%, водоросли – 10%.
На Земле сложились условия аккумулирования химической энергии.
Химическая энергия – это преобразованная ЭМ энергия Солнца.
Транспортировка
Газопроводы, трубопроводы, ёмкости.
Преобразование химической энергии соединение энергетического вещества с окислителем.
Бензин 42МДж/кг
Потребность воздуха – 14.8=>λ=1[кг/кг].
Богатая смесь >14.8, бедная смесь<14.8
,
1тонна угля – 1 тонна условного топлива
КПД мышцы η=0.5
Сокращение происходит за счёт притягивания электростатическими силами электрических зарядов молекул.
КПД топливных элементов η=0.6-0.7
Соотношение массы водорода и кислорода 1:8.
Ядерная Энергия
Источник – радиоактивные вещества, ядра которых неустойчивы.
период полураспада лет. При распаде 1 ядра выделяется эV энергии. В реакторах с замедлителем уран выделяет тепло 9,8 Вт/г.
При критической массе урана 20кг произойдет взрыв- цепная реакция деления.
Pu(плутоний) – искусственное вещество. Для Pu критическая масса 8 кг. При синтезе (водородная бомба) критической массы нет, поэтому мощность водородной бомбы выше.
Задача
ДВС приводит во вращение генератор.
Бензин 0.4кг/кВтчас – 7руб/кг
Дизельное топливо 0.25кг/кВтчас – 3.5руб/кг
Подсчитать экономию при замене бензина на дизель.
Экономия: 1кВтчас бензина – 0.4*7=2.8руб/кВтчас, 1кВтчас дизеля – 0.25*3.5=0.9руб/кВтчас.
2.8-0.9=1.9руб/кВтчас.
Вопросы по курсу “Методы Преобразования Энергии”
Виды энергии, единицы измерения, матрица преобразования видов энергии.
Механическая энергия твёрдых тел, газа, жидкости: преобразование качества, потенциальная и кинетическая энергия.
Потери механической энергии и методы их снижения. Коэффициент полезного действия преобразователя энергии.
Волновые и колебательные движения – энергетические процессы в них, резонансные явления в механических системах.
Источник механической энергии, методы её транспортировки и накопления.
Источник тепловой энергии, методы её транспортировки и накопления.
Термодинамический КПД тепловой машины. Двигатели внутреннего и внешнего сгорания.
Энтропия, статический вес, закон увеличения энтропии. Системы охлаждения и обогрева.
Источники электрической энергии и методы её транспортировки и накопления.
Уравнение Максвелла и их использование в преобразователях и накопителях электрической энергии: трансформаторы, конденсаторы, индуктивности.
Движение тел с переменной массой, реактивный двигатель: тяга, скорость.
КПД реактивного двигателя, принцип многоступенчатой ракеты.
Сверхпроводимость и её использование в преобразователях энергии.
Химическая энергия: источники транспортировка и накопление.
Электрохимические источники и накопители электроэнергии: элементы и аккумуляторы.
Электрохимические процессы в человеческом организме. Преобразование химической энергии в механическую в живом организме.
Электрохимические топливные элементы. Принцип водородной энергетики.
Атомная энергия. Взрывной характер использования энергии деления и синтеза ядер.
Атомная энергия и её использование в атомных теплоэлектроцентралях и в радиоизотопных источниках.
Атомная энергия: источники, транспортировка, хранение.
Электромагнитная энергия поля: источники, транспортировка, хранение.
Преобразование энергии солнечного света в электрическую энергию.
Обеспечение безопасности при работе с радиоактивными материалами и с источниками излучения.
Преобразование электрической энергии в пьезоэлектрических кристаллах.
Методы повышения КПД преобразования энергии света солнечными элементами.
Лазеры и активные материалы с инверсией населённости. Накопление и излучение когерентного электромагнитного излучения.
Дополнительные вопросы.
Механическая энергия.
Рассчитать экономию энергии от применения частотного регулирования скорости вращения вентилятора по сравнению с регулированием давления задвижкой при постоянной частоте вращения вентилятора. Принять давление , где n – частота вращения турбины. Диапазон регулирования давления , .
Подсчитать степень сжижения массы топлива ракеты, стартующей на широте Байконура (40˚) на восток и на запад. Орбита круговая.
Космическая скорость 7 км/с.
Диаметр земли 127500км.
Подсчитать дополнительный расход энергии и степень увеличения мощности двигателя автомобиля при увеличении его лобового сопротивления за счёт багажника на крыше. Поперечное сечение багажника 1мІ, скорость 60км/ч, путь 100км. Считать, что коэффициент лобового сопротивления автомобиля при установке багажника увеличится с 0.45 до 1.1
2. Тепловая энергия.
Подсчитать энергию, поступающую в тепловой коллектор в течение всего солнечного дня. Коллектор ориентирован перпендикулярно солнечным лучам в земле и не меняем положение.
, , долгота светового дня 15часов.
Рассчитать температуры скафандра и экрана в космосе, если человек в скафандре с тепловым экраном находится в далёком космосе и не освещается. Мощность, выделяемая человеком , . Экран покрывает 100% поверхности скафандра. Теплопроводность скафандра и экрана высокая.
Рассчитать потери энергии за 1 сутки и мощность потерь через окно площадью 3мІ. Температура в комнате +18єС, температура за окном -20єС. Толщина стекла 2мм. Остекление двойное, расстояние между стёклами 10см. Коэффициент теплопроводности воздуха .
3. Электрическая энергия.
1) КПД ламп накаливания составляет 0.1. Компактная люминесцентная лампа при той же яркости потребляет энергию на 83% меньше.
1) Подсчитать КПД компактной люминесцентной лампы.
2) Подсчитать мощность излучения компактной люминесцентной лампы при электрической мощности 49Вт.
3) Подсчитать экономию электроэнергии за год при замене ламп накаливания на люминесцентные лампы, если потребление ламп накаливания составляет 359тыс.кВт*ч.
2) Для однократного запуска М-412 с помощью стартёра в течении 5сек надо потратить 1926Дж механической энергии стартёра. Вместо аккумулятора используется батарея конденсаторов. КПД стартёра 0.8.
1) Рассчитать требуемую ёмкость конденсаторов для обеспечения шести запусков (без подзарядки) при условии допустимого снижения напряжения на конденсаторе и, соответственно, на стартёре с 14В до 8В.
2) Рассчитать мощность стартёра [Вт].
3) Длинный проводник с током I и П-образный проводник с подведённой перемычкой, сохраняющей электрический контакт с шинами при движении, находятся в одной плоскости. Перемычку, длиной L и сопротивление R, перемещают с постоянной скоростью V. Найти индукционный ток в контуре как функцию расстояния X между перемычкой и прямым проводом. Индуктивностью П-образного проводника и перемычки пренебречь. Сечение и материал П-образного проводника и перемычки одинаковы. Какую внешнюю силу надо приложить к перемычке, чтобы обеспечить движение с постоянной скоростью? Какую энергию надо затратить, чтобы перенести перемычку на 100см. Сопротивлением П-образного проводника не пренебрегать.
4. Электромагнитная энергия.
1) Кремниевые солнечные элементы в точке ВАХ, соответствующей максимальной мощности, имеют напряжение 0.45В и удельный ток 49мкА/смІ. Подсчитать площадь солнечной батареи для выходной мощности 4000Вт для двух режимов работы солнечной батареи.
1) На геостационарной орбите батарея постоянно освещена солнцем и имеет солнечную ориентацию.
2) На земной орбите батарея 50 минут освещена и 40 минут в тени. При освещённом режиме поверхность солнечной батареи перпендикулярна лучам Солнца.
Подсчитать безопасную дистанцию до источника электромагнитного излучения мощностью 1кВт по нормам 1982 года и по нормам 1996 года. Для диапазона излучаемых волн: ультракороткие волны, частота 30-300МГц. Предельно допустимая норма для человека – 10Вт/мІ (1982); 100Вт/мІ (1996). Какая мощность будет приходиться на площадь 1 мІ, находящуюся на расстоянии 10м от источника.
Дистанционно пилотируемый самолёт ВВС США Pathfinder Plus на солнечных батареях, размещённых на крыльях, начиная взлетать через два часа после восхода Солнца, поднялся на высоту 25 км за 8 часов. Размах крыльев 40м, ширина крыла 0.4м. КПД солнечных элементов 0.19. Число двигателей 2.
Рассчитать энергию [Дж], полученную от солнечных батарей за время взлёта, считая, что максимальная удельная мощность солнечного излучения за световой день составляет 1300Вт/мІ. Длительность светового дня 12 часов.
5. Химическая энергия.
1) Ежедневно космонавту требуется 3.5-13.6кг воды. При выработке 1кВт*ч электроэнергии в ЭлектроХимическом Генераторе (ЭХГ) выделяется 0.35-0.45кг воды. Обеспечимость водой достигается при выработке в сутки 8-10кВт*ч или при непрерывной работе ЭХГ его мощность должна быть 0.3-1.6кВт. Рассчитайте среднее значение запасов водорода и кислорода для экипажа из 7 космонавтов для экспедиции 7 суток и полученное при этом количество электроэнергии(кВт*ч).
2) Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) приводит во вращение электромеханический генератор с нагрузкой 30кВт в течение одного года. Подсчитать экономию средств, выделяемых на топливо при замене бензинового ДВС на дизельный ДВС.
Подсчитать массу сжиженного воздуха за это время, при .
Расход топлива Цена топлива
Бензиновый ДВС 0.4кг/кВт*ч 7.0руб/кг
Дизельный ДВС 0.25кг/кВт*ч 3.5руб/кг
3) Для теплоэлектростанции, передающей потребителям кроме электрической энергии, производимой электромеханическим генератором с приводом от паровой турбины, еще и тепло через трубопроводы с горячей водой. Подсчитать общий КПД теплоэлектростанции в зависимости от значения тепловой энергии у потребителя, изменяющейся от максимального значения до нуля. Принять КПД турбины 0.4, КПД электрогенератора 0.95, КПД линии теплопередачи 0.8. Тепловую мощность теплоэлектростанции считать постоянной.
5. Атомная энергия.
Рассчитать массу тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), имеющих на открытом воздухе температуру поверхности 250єС. Удельная плотность урана 19.1гр/смі, в ТВЭЛ’ах уран содержится 1гр/смі. коэффициент удельной теплоотдачи воздуха 10Вт/мІК, удельное тепловыделение урана 10000Вт/кг=10Вт/гр, Удельная масса графита 2.2гр/смі (вторая составляющая ТВЭЛ’ов).
Космическое излучение представляет поток частиц (нейтронов, протонов и ά-частиц) с энергией от до эВ. Максимально допустимый поток нейтронов для полупроводниковых приборов Ф= частиц/мІ. Приравняв энергию нейтронов и ά-частиц подсчитать энергию, проходящую через поверхность солнечной батареи площадью 20мІ. 1эВ=1.6* Дж.
Стоимость урана, добываемого шахтным способом 80$/кг. Теплопроизводительность урана Вт/кВт*ч. Срок службы урана на АЭС 10 лет. Цена электроэнергии 7цент/кВт*ч. КПД тепло турбины 0.4, КПД электрогенератора 0.95. Выделить в цене электроэнергии часть, которая затрачена на уран.