Вода и енергија Пресметајте го енергетскиот потенцијал на хидроцентралата, пресметка на енергетските побарувања за
Со помош на турбини, тркала за вода, машини за водени колони и слично, може да се добие енергија од вода. Во претходните векови, погонската енергија се добиваше директно (на пр. За мелници), денес електричната енергија обично се добива со помош на поврзан генератор.
Максималната количина на енергија што може да се добие од постојно водоснабдување зависи од 3 фактори:
g: забрзување поради гравитацијата, измерено во m/s ^ 2
м: количина на вода, измерена во кг
Dif_h: висинска разлика помеѓу приливот и одливот, измерена во m
Забрзувањето заради гравитацијата е скоро исто насекаде на земјата и е приближно 9,81 m/s ^ 2.
Максималната енергија што може да се добие од хидроцентралата (Е, измерена во J или kWh) може да се пресмета како што следува:
E (во J) = m (во kg) * g (во m/s ^ 2) * Dif_h (во m)
E (во kWh) = m (во kg) * g (во m/s ^ 2) * Dif_h (во m)/3600000 (J/kWh)
E (во kWh) = m (во t) * g (во m/s ^ 2) * Dif_h (во m)/3600 (kJ/kWh)
Со современи турбински системи, до 90% од максималната обновувачка енергија всушност може да се добие како електрична енергија.
Пример: Од езеро, чија површина е над 340 м надморска височина (= 340 м надморска височина), водата се напојува преку цевка (1) во долина на 260 м надморска височина и таму се внесува во река со турбина. Висинската разлика Dif_h е 340 m - 260 m = 80 m.
Количината на вода што може да се исцеди од горното езеро секој ден за да генерира електрична енергија зависи од тоа колку вода просечно влегува во него секој ден преку потоци и реки. За нашиот пример претпоставуваме дека тоа е 35,000 m ^ 3 на ден. Бидејќи 1 mі вода има маса од околу 1 t, ние пресметуваме во следното со 35000 t/ден.
Максималната електрична (корисна) енергија E_el, максимум што може да се добие дневно (со ефикасност од 100%) е тогаш:
Е_ел, максимум = 35000 t/ден * 1 ден * 9,81 m/s ^ 2 * 80 m/3600 kJ/kWh = 7630 kWh.
Со вкупна ефикасност на системот за турбини (турбини (а) + генератор (и)) од пр. 85%, сепак, само количина на енергија E_el, од
Е_ел, тат = 7630 kWh * 85%/100% = приближно 6490 kWh
всушност добиени во форма на електрична енергија.
Електричната моќност P_el, произведена од системот на турбини е релевантната количина на енергија, заснована на временскиот период во кој се создава оваа количина на енергија.
Бидејќи во примерот 6490 kWh електрична енергија се генерира на еден ден, електричната енергија P_el, tat може да се пресмета како што следува:
P_el, tat = 6490 kWh/ден = 6490 kWh/24h = приближно 270 kWh/h = 270 kW
Во пракса, приливот во езеро е многу различен во зависност од сезоната и временските услови. Како резултат, тешко ќе биде можно да се снабдува турбината со постојан проток на вода од 35,000 m ^ 3/ден за подолги временски периоди. За време на сувата сезона, со турбината ќе се работи привремено со намалена моќност или дури и оставена во мирување; во дождовната сезона, од друга страна, мора да се користат поголеми количини вода дневно за да се спречи излевањето на езерото. Според тоа, максималната моќност на турбината мора да биде поголема од 270 kW. Просечно во текот на годината, просечната електрична моќност на турбината е 270 kW.
(1): Треба да биде цевковод бидејќи е затворен и со тоа се овозможува формирање на колона за вода. Како резултат, целосната разлика во висината може да се искористи за да се создаде хидростатички притисок пред турбината. Меѓутоа, на отворените канали, голем дел од зачуваната енергија би се изгубил пред водата да стигне до турбината.
2 Барања за енергија за загревање на вода
Што се случува кога ќе се додаде вода (термичка) енергија? Да почнеме со многу ладна вода, на пример, на температура од -100 ° С. Ова секако веќе не е течно, туку е во форма на цврст мраз.
Снабдувањето со топлина првично ја зголемува температурата на мразот. Колку топлинска енергија е потребна на кг и на ° C зголемување на температурата е константа што зависи од супстанцијата, нејзината физичка состојба и, во помала мера, нејзината температура и притисок, т.н. топлински капацитет или специфична топлина. Обично, симболот cp се користи за ова (c за капацитет и p за притисок = константна) ако процесот се одвива при постојан притисок, како што обично се случува во секојдневниот живот. (Вредностите на cp за мраз, вода и водена пареа се наведени во табелата подолу за различни температури. За мразот, cp е силно зависен од температурата, така што можеби треба да се пресмета или процени просечна вредност за соодветниот температурен опсег; за вода и водена пареа, Зависноста од температурата на cp може нормално да се занемари.) Потребни се околу 170 kJ енергија за да се загрее 1 кг мраз од -100 ° C до 0 ° C.
Ако продолжи да се снабдува енергија, мразот првично воопшто не се загрева (2), туку се топи. Колку повеќе енергија се снабдува, толку повеќе вода и помалку мраз добиваме. Количината на топлина што треба да се додаде за целосно топење на 1 кг мраз од 0 ° C во вода од 0 ° C се нарекува топлина на фузија или енталпија на топење Delta_H_Sm (терминот енталпија укажува на тоа дека предметниот процес се одвива при постојан притисок). За вода, Delta_H_Sm е 334 kJ/kg на 0 ° C.
(Со цел да се стопи 1 кг мраз на 0 ° C до 1 kg вода на 0 ° C, потребна ви е количина на енергија од 334 kJ. Тоа е скоро двојно повеќе отколку што е потребно за загревање од -100 ° C до 0 ° C беше.)
Со понатамошно снабдување со енергија, водата се загрева додека не се достигне температурата на вриење на водата (при нормален притисок на воздухот 100 ° C). Поради вредноста на cp од околу 4,2 kJ/(kg * ° C), потребна е количина на енергија од приближно 420 kJ на kg вода. Оттогаш, температурата останува постојана дури и со понатамошно снабдување со енергија се додека водата не испари целосно и сега е исклучиво во форма на пареа. Количината на топлина што треба да се додаде за целосно испарување на 1 кг вода на 100 ° C во водена пареа на 100 ° C се нарекува топлина на кондензација или испарување или енталпија на испарување Delta_H_V. За вода, Delta_H_V на 100 ° C е 2256 kJ/kg. Delta_H_V е зависен од температурата, се намалува со зголемувањето на температурата и ја достигнува вредноста нула на критичната температура. Зависноста од притисок на Delta_H_V е мала и нормално може да се занемари.
Ако добиената пареа едноставно не излезе во воздухот, но се испушти на пр. Преку цевка, нејзината температура може да се зголеми практично колку што е посакувана над точката на вриење (= "точка на вриење") со додавање на повеќе топлина.
(2): Ако брзо се загревате и мразот е исто така во форма на помалку компактни парчиња, водата може да има значително повисока температура од 0 ° C, бидејќи топлинската енергија не може да влезе од водата во мразот толку брзо колку што сакате. Ако го прекинете снабдувањето со топлина некое време, водата повторно се лади до 0 ° C, а соодветната количина мраз се топи.
70 кг мраз на температура од -20 ° С треба да се стопи во вода на 40 ° С. Колкава количина на енергија (топлина) Q мора да се додаде на мразот/водата?
1. Загревање на мразот Е до температурата на топење (0 ° C):
Q_1 = m_E * cp_E * (0 ° C - -20 ° C) = 70 kg * 2,0 kJ/(kg * ° C) * 20 ° C = 2800 kJ
2. Топење на мразот на температура на топење:
Q_2 = m_E * Delta_H_Sm, W = 70 kg * 334 kJ/kg = 23380 kJ
3. Загревање на водата од 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
Вкупна побарувачка на топлина:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 37940 kJ
Конверзија во kWh (1 kWh = 3600 kJ):
37940 kJ = 10,54 kWh
(m: маса; cp: специфичен топлински капацитет; Delta_H_Sm: топење на енталпија; E: мраз; W: вода)
Од 70 кг вода на температура од 40 ° С, треба да се добие пареа на 170 ° С. Колкаво количество енергија (топлина) Q мора да се додаде во водата?
1. Загревање на водата до температура на вриење (100 ° C):
Q_1 = m_W * cp_W * (100 ° C - 40 ° C) = 70kg * 4,2 kJ/(kg * ° C) * 60 ° C = 17640 kJ
2. Испарување на водата на точката на вриење:
Q_2 = m_W * Delta_H_V, W = 70 kg * 2256 kJ/kg = 157920 kJ
3. Загревање на пареата од 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
Вкупна побарувачка на топлина:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 185 360 kJ
Конверзија во kWh (1 kWh = 3600 kJ):
185 360 kJ = 51,49 kWh
(m: маса; cp: специфичен капацитет на топлина; Delta_H_V: енталпија на испарување; W: вода; D: пареа)
Количината на енергија потребна за загревање на 1 кг одредена супстанција за 1 ° С е позната како топлински капацитет (исто така: специфична топлина) на оваа супстанца. Топлинскиот капацитет зависи од физичката состојба на супстанцијата (цврста, течна или гасовита), а исто така повеќе или помалку од нејзината температура и притисок. Со огромното мнозинство на супстанции, вклучувајќи вода, топлинскиот капацитет е најголем во течна состојба.
Топлински капацитети cp мраз, вода и пареа на различни температури Т се наведени подолу (#DAL; # Wea):
Водата е една од супстанциите со најголеми топлински капацитети. За споредба, топлинските капацитети cp на некои други супстанции при нормални температури на околината (# MSc; #DAL):