Вода и енергия Изчисляване на енергийния потенциал на хидроенергията, изчисляване на енергийните нужди за
С помощта на турбини, водни колела, машини за водни колони и др. като енергия може да се получи от водата. В по-ранните векове задвижващата енергия се е получавала директно (например за мелници), днес електрическата енергия обикновено се получава с помощта на свързан генератор.
Максималното количество енергия, което може да се получи от съществуващо водоснабдяване, зависи от 3 фактора:
g: ускорение поради гравитацията, измерено в m/s ^ 2
m: количество вода, измерено в kg
Dif_h: разлика във височината между входящия и изходящия поток, измерена в m
Ускорението поради гравитацията е почти еднакво навсякъде по земята и е приблизително 9,81 m/s ^ 2.
Максималната енергия, която може да бъде получена от водна енергия (E, измерена в J или kWh), може да бъде изчислена, както следва:
E (в J) = m (в kg) * g (в m/s ^ 2) * Dif_h (в m)
E (в kWh) = m (в kg) * g (в m/s ^ 2) * Dif_h (в m)/3600000 (J/kWh)
E (в kWh) = m (в t) * g (в m/s ^ 2) * Dif_h (в m)/3600 (kJ/kWh)
Със съвременните турбинни системи до 90% от максимално възстановимата енергия всъщност може да се получи като електрическа енергия.
Пример: От езеро, чиято повърхност е 340 m над морското равнище (= 340 m над морското равнище), водата се подава през тръба (1) в долина на 260 m над морското равнище и там тя се въвежда в река от турбина. Разликата във височината Dif_h е 340 m - 260 m = 80 m.
Количеството вода, което може да се оттича от горното езеро всеки ден, за да се генерира електричество, зависи от това колко вода постъпва средно всеки ден в него чрез потоци и реки. За нашия пример приемаме, че е 35 000 m ^ 3 на ден. Тъй като 1 mі вода има маса около 1 t, ние изчисляваме по-долу с 35000 t/ден.
Тогава максималната електрическа (полезна) енергия E_el, max, която може да бъде получена ежедневно (с ефективност 100%), е:
E_el, макс. = 35000 t/ден * 1 ден * 9,81 m/s ^ 2 * 80 m/3600 kJ/kWh = 7630 kWh.
С обща ефективност на турбинната система (турбина (и) + генератор (и)) от напр. Но 85% ще бъде само количество енергия E_el, малко
E_el, tat = 7630 kWh * 85%/100% = приблизително 6490 kWh
действително получена под формата на електрическа енергия.
Електрическата мощност P_el, генерирана от турбинната система, е съответното количество енергия въз основа на периода от време, през който се генерира това количество енергия.
Тъй като в примера 6490 kWh електрическа енергия се генерират за един ден, електрическата мощност P_el, tat може да се изчисли, както следва:
P_el, tat = 6490 kWh/ден = 6490 kWh/24h = приблизително 270 kWh/h = 270 kW
На практика притокът в езеро е много различен в зависимост от сезона и метеорологичните условия. В резултат на това едва ли ще бъде възможно да се снабдява турбината с постоянен воден поток от 35 000 m ^ 3/ден за по-дълги периоди от време. Поради това през сухи периоди турбината ще работи временно с намалена мощност или дори ще бъде спряна, докато в дъждовните сезони трябва да се използват по-големи количества вода на ден, за да се предотврати преливането на езерото. Съответно максималната мощност на турбината трябва да бъде по-голяма от 270 kW. Средно за годината средната електрическа мощност на турбината е 270 kW.
(1): Той трябва да бъде тръбопровод, тъй като е затворен и по този начин дава възможност за образуване на воден стълб. Това означава, че разликата в пълната височина може да се използва за създаване на хидростатично налягане пред турбината. В отворените канали, от друга страна, голяма част от съхранената енергия ще бъде загубена, преди водата да достигне турбината.
2 Енергийни изисквания за отопление на вода
Какво се случва, когато се добави водна (топлинна) енергия? Нека започнем с много студена вода, напр. с температура -100 ° C. Това, разбира се, вече не е течност, но е под формата на твърд лед.
Захранването с топлина първоначално повишава температурата на леда. Колко топлинна енергия се изисква за kg и за ° C повишаване на температурата е константа, която зависи от веществото, неговото физическо състояние и в по-малка степен от неговата температура и налягане, така наречения топлинен капацитет или специфична топлина. Обикновено за това се използва символът cp (c за капацитет и p за налягане = постоянно), когато процесът протича при постоянно налягане, както обикновено е в ежедневието. (Стойностите на cp за лед, вода и водни пари са изброени в таблицата по-долу за различни температури. За лед cp е силно зависим от температурата, така че трябва да се изчисли или изчисли средна стойност за съответния температурен диапазон. За вода и водни пари, Обикновено температурната зависимост на cp може да бъде пренебрегвана.) За отопление на 1 kg лед от -100 ° C до 0 ° C са необходими около 170 kJ енергия.
Ако енергията продължава да се доставя, ледът първоначално изобщо не се загрява (2), а вместо това се топи. Колкото повече енергия се добавя, толкова повече вода и по-малко лед получаваме. Количеството топлина, което трябва да се добави, за да се стопи напълно 1 kg лед от 0 ° C към вода от 0 ° C, се нарича топлина на сливане или топене енталпия Delta_H_Sm (терминът енталпия показва, че въпросният процес протича при постоянно налягане). За водата Delta_H_Sm е 334 kJ/kg при 0 ° C.
(За да разтопите напълно 1 кг лед при 0 ° C до 1 kg вода при 0 ° C, ви е необходимо количество енергия от 334 kJ. Това е почти два пъти повече от необходимото за отопление от -100 ° C до 0 ° C е била.)
При по-нататъшно подаване на енергия водата се загрява, докато се достигне температурата на кипене на водата (при нормално въздушно налягане 100 ° C). Поради стойността на cp от около 4,2 kJ/(kg * ° C), се изисква количество енергия от около 420 kJ за kg вода. От този момент нататък температурата остава постоянна дори при по-нататъшно подаване на енергия, докато водата напълно се изпари и вече се предлага само под формата на пара. Количеството топлина, което трябва да се добави, за да се изпари напълно 1 kg вода при 100 ° C във водна пара при 100 ° C, се нарича топлина на кондензация или изпаряване или енталпия на изпаряване Delta_H_V. За вода Delta_H_V при 100 ° C е 2256 kJ/kg. Delta_H_V зависи от температурата, намалява с увеличаване на температурата и достига стойността нула при критичната температура. Зависимостта на налягането на Delta_H_V е ниска и обикновено може да се пренебрегне.
Ако получената пара не просто изтича във въздуха, а напр. се извежда през тръба, температурата му може да се увеличи практически толкова, колкото се желае над точката на кипене (= "точка на кипене") чрез добавяне на повече топлина.
(2): Ако бързо се нагрявате и ледът е под формата на по-малко компактни парчета, водата може да има значително по-висока температура от 0 ° C, тъй като топлинната енергия не може да попадне от водата в леда толкова бързо, колкото искате. Ако прекъснете подаването на топлина за известно време, водата отново се охлажда до 0 ° C и съответното количество лед се топи.
70 kg лед с температура -20 ° C трябва да се разтопи във вода с 40 ° C. Какво количество енергия (топлина) Q трябва да се добави към леда/водата?
1. Загряване на леда E до температура на топене (0 ° C):
Q_1 = m_E * cp_E * (0 ° C - -20 ° C) = 70 kg * 2,0 kJ/(kg * ° C) * 20 ° C = 2800 kJ
2. Топене на леда при температура на топене:
Q_2 = m_E * Delta_H_Sm, W = 70 kg * 334 kJ/kg = 23380 kJ
3. Нагряване на водата от 0 ° C до 40 ° C:
Q_3 = m_W * cp_W * (40 ° C - 0 ° C) = 70 kg * 4,2 kJ/(kg * ° C) * 40 ° C = 11760 kJ
Общо потребление на топлина:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 37940 kJ
Преобразуване в kWh (1 kWh = 3600 kJ):
37940 kJ = 10,54 kWh
(m: маса; cp: специфичен топлинен капацитет; Delta_H_Sm: енталпия на топене; E: лед; W: вода)
От 70 kg вода при температура 40 ° C трябва да се получи пара при 170 ° C. Какво количество енергия (топлина) Q трябва да се добави към водата?
1. Загряване на водата до температура на кипене (100 ° C):
Q_1 = m_W * cp_W * (100 ° C - 40 ° C) = 70kg * 4,2 kJ/(kg * ° C) * 60 ° C = 17640 kJ
2. Изпаряване на водата при точката на кипене:
Q_2 = m_W * Delta_H_V, W = 70 kg * 2256 kJ/kg = 157920 kJ
3. Нагряване на парата от 100 ° C до 170 ° C:
Q_3 = m_D * cp_D * (170 ° C - 100 ° C) = 70 kg * 2,0 kJ/(kg * ° C) * 70 ° C = 9800 kJ
Общо потребление на топлина:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 185 360 kJ
Преобразуване в kWh (1 kWh = 3600 kJ):
185 360 kJ = 51,49 kWh
(m: маса; cp: специфичен топлинен капацитет; Delta_H_V: енталпия на изпаряване; W: вода; D: пара)
Количеството енергия, необходимо за нагряване на 1 kg от определено вещество с 1 ° C, се нарича топлинен капацитет (също: специфична топлина) на това вещество. Топлинният капацитет зависи от физическото състояние на веществото (твърдо, течно или газообразно) и също така горе-долу от неговата температура и налягане. При по-голямата част от веществата, включително водата, топлинният капацитет е най-голям в течно състояние.
Топлинните мощности cp на лед, вода и пара при различни температури T са изброени по-долу (#DAL; #Wea):
Водата е едно от веществата с най-висок топлинен капацитет. За сравнение, топлинният капацитет cp на някои други вещества при нормални температури на околната среда (#MSc; #DAL):