ТГУ, современные проблемы энергетики (практические задания)

Практическое задание 1. Систематизация информации о топливе

Тема 2. Получение тепловой энергии

Задание. Заполните по образцу таблицы с характеристиками газообразного, жидкого и твердого топлива и сделайте выводы о перспективах их использования.

Рекомендации по выполнению задания

Используя любые источники информации, заполните таблицы бланка выполнения задания. Проявите творческий подход при описании областей применения различных видов топлива, изложите свои рассуждения о новых и перспективных способах его сжигания. Если у вас появятся интересные мысли о создании новых видов топливного оборудования или модернизации уже имеющегося, поделитесь ими. Инициатива студентов приветствуется.

Образец выполнения задания

Таблица 1 – Удельная теплота сгорания газов

Таблица 2 – Удельная теплота сгорания жидкого топлива

Таблица 3 – Удельная теплота сгорания твердого топлива

Бланк выполнения задания 1

Таблица 1 – Удельная теплота сгорания газов

Таблица 2 – Удельная теплота сгорания жидкого топлива

Таблица  3 – Удельная теплота сгорания твердого топлива

Практическое задание 2. Определение КПД электрического водонагревательного прибора.

Тема 2. Получение тепловой энергии

Задание. Провести опыт по нагреву воды в чайнике (или другом аналогичном водонагревательном приборе) и рассчитать его коэффициент полезного действия.

Рекомендации по выполнению задания

В качестве исследуемого электрического водонагревательного прибора может быть использован электрический чайник или другой аналогичный бытовой прибор.

Коэффициент полезного действия (КПД) энергетической системы – это отношение полезной энергии к израсходованной.

Израсходованная энергия определяется по закону Джоуля – Ленца.

Мощность электроприбора P, как правило, указана на его корпусе или в документации, однако из-за окисления высокоомных проводников ТЭНа со временем она снижается. Поэтому ее нужно рассчитать через сопротивление.

Сопротивление можно узнать двумя способами.

Ток вам неизвестен, зато известно напряжение – 220 В. Для расчета энергии нужно еще знать время. Его вы должны определить экспериментально. Для этого в чайник или его аналог нужно налить фиксированное количество воды (желательно близкое к максимальному) и довести до кипения. После этого вылить кипяток, снова налить холодную воду и повторить опыт. Это повторение нужно из-за того, что при первом нагреве энергия расходуется на нагрев корпуса чайника, а при втором потерь такого рода практически нет. В результате вы получите величину затраченной энергии.

Полезную энергию можно рассчитать, зная массу воды m и t – разность между температурой кипения и начальной температурой воды. Температура кипения, как известно, составляет 100 ^°C. Температуру водопроводной воды можно измерить комнатным термометром.

Результаты работы нужно представить в виде таблицы 4.

Таблица 4 – Результаты расчетов

Практическое задание 3. Ситуационная задача – электрификация коттеджа

Тема 7. Передача электроэнергии на расстояние

Задание. Принять обоснованные решения по устройству электропроводки и системы ее защиты для коттеджа.

Рекомендации по выполнению задания

1. Сначала по таблице 5 выберите вариант исходных данных, соответствующий первой букве вашей фамилии.

2. Для каждого помещения определите суммарную потребляемую мощность, а потом ток. При расчете тока нужно учитывать, что напряжение во всех помещениях – 220 В, а в бане – другое, согласно исходным данным.

3. Затем определите суммарный ток. При суммировании ток, потребляемый баней, рассчитывается для первичной обмотки трансформатора, то есть путем деления мощности ее потребителей на 220 В.

4. Рассчитанные значения силы тока для каждого помещения и всего дома занесите в таблицу 5 в бланке выполнения задания, после чего определите сечения медных или алюминиевых проводов.

5. На основании расчетов  примите решение о выборе конкретных типов проводов. Сформулируйте основания для своего выбора.

6. В соответствии с рассчитанными значениями силы тока для каждого помещения и дома в целом выберите автоматические выключатели. Примечание. Справочные данные для выбора проводов и средств защиты проводки вы должны найти самостоятельно.

Исходные данные, общие для всех вариантов (описание ситуации)

Построен дачный дом в электрифицированном дачном массиве. Требуется подключить его к проходящей рядом линии электропередачи напряжением 220 В, ближайшая опора которой находится на расстоянии 20 м, а также выбрать провода для внутренней проводки и стандартные средства ее защиты. В доме имеются две комнаты, кухня и баня. Особенность электроснабжения бани – безопасное напряжение 12, 24 или 36 В (предполагается, что понижающий трансформатор уже имеется).

Дополнительные исходные данные (выбрать вариант по первой букве фамилии).

Таблица 5 – Исходные данные для ситуационной задачи

Образец выполнения задания 3

1. Находим в таблице 5 свои исходные данные.

2. Определяем суммарную мощность для отдельных помещений и всего дома, затем силу тока.

Комната 1: Р = 1400 Вт, I = 1400/220 = 6,36 А.

Комната 2: Р = 2100 Вт, I = 9,54 А.

Кухня: Р = 5200 Вт, I = 23,64 А.

Баня: Р = 40 Вт, I = 40/12 = 3,33 А – для выбора проводов внутри бани.

I = 40/220 = 0,18 А – для расчета суммарного тока.

Суммарный ток для всего дома составит 39,72 А. Округлим до 40 А.

Оценив свои материальные возможности и учитывая современные рекомендации по электроснабжению жилых помещений, принимаем решение использовать провод СИП для подключения дома и медные провода для остальной проводки.

Наименьшее сечение 16 мм² имеет двухжильный провод СИП 2×16, который выдерживает ток до 75 А. Он идеально подходит для подключения данного дома.

Наиболее мощный потребитель – кухня. В интернете находим, что кабель с медными жилами сечением 4 мм² выдерживает ток до 38 А. Отдаем предпочтение кабелю с гибкими жилами ПУГНП 2×4.

Находим характеристики такого же типа кабеля меньшего сечения и убеждаемся, что ПУГНП 2×1,5 мм² при любом способе прокладки выдерживает не менее 18 А, чего с двукратным запасом достаточно для обеих комнат.

Для 40-ваттной бани можно взять любой провод, но, учитывая перспективы развития, например, использование чайника, принимаем решение использовать тоже ПУГНП 2×1,5.

Исходя из максимальной нагрузки, с одной стороны, и из возможностей кабеля, с другой, выберем ток срабатывания автоматических выключателей в соответствии с имеющимися в продаже. Все результаты заносим в таблицу 6 в бланке выполнения задания.

Образец заполнения таблицы 6

Таблица 6 – Результаты расчетов

Примечание. Так как электропитание банного освещения низковольтное, УЗО для защиты от поражения электрическим током не требуется.

Бланк выполнения задания 3

Таблица 6 – Результаты расчетов

Примечание. Так как электропитание банного освещения низковольтное, УЗО для защиты от поражения электрическим током не требуется.

Практическое задание 4. Эссе

Тема 8. Преобразование электрической энергии в другие формы

Задание. Написать эссе на заданную тему.

Рекомендации по выполнению задания

Слово «эссе» означает небольшое сочинение в произвольной форме, выражающее мнение автора по конкретному вопросу. Тему работы нужно выбрать из таблицы 7 в соответствии с первой буквой вашей фамилии.

Объем эссе должен составлять 2–3 страницы.

Таблица 7 – Темы эссе

Образец выполнения задания

Тенденции развития городского электротранспорта

Актуальность рассматриваемой проблемы вытекает из следующих факторов. Во-первых, темп жизни в современном мире имеет тенденцию к росту, и поэтому в ближайшем и далеком будущем скорость передвижения будет иметь постоянно возрастающее значение. Во-вторых, человечество очень быстро приучается к комфорту, который предполагает развитие логистики в населенных пунктах и, следовательно, развитие транспорта. В-третьих, современные подходы к решению транспортных проблем значительно ухудшают экологическое состояние крупных городов. Так, например, в Китае практически все мегаполисы имеют крайне загрязненный воздух. Следовательно, необходимо искать новые пути развития городского транспорта. Если, скажем, весь городской транспорт перевести на использование в качестве топлива водорода, не дающего абсолютно никаких вредных выбросов, экологическая обстановка существенно улучшится.

В настоящее время городской общественный транспорт представлен автобусами, троллейбусами, трамваями, метро, электричками. Также на улицах городов имеется большое количество грузовых автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, личных легковых автомобилей, а также маломощных транспортных средств: мотоциклов, скутеров, велосипедов.

Из перечисленных транспортных средств экологические проблемы создают автобусы, грузовики и личный транспорт с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому первое направление работы при решении подобных задач – это замена по возможности транспорта с бензиновыми и дизельными двигателями на электротранспорт.

Второе направление – адаптация электротранспорта к задачам грузоперевозок. Третье направление – внедрение в обиход электромобилей и другого электротранспорта. И, наконец, четвертое направление – развитие культуры велосипедных поездок и строительство соответствующей инфраструктуры.

Грузовые троллейбусы уже существуют, но их применение ограничено зоной охвата контактной сети, оперативное развитие которой в обозримом будущем представляется маловероятным. Более целесообразным будет развитие электротранспорта с аккумуляторами и ионисторами, то есть не привязанного к контактной сети. Существующие технологии производства литиевых аккумуляторов уже достаточно развиты, и в ближайшее время ожидается прорыв в этой области на основе нанотехнологий. Решение только этой задачи уже внесет заметный вклад в улучшение экологической ситуации.

Авторитет легкового электротранспорта несколько пострадал после неудачи с «Ё-мобилем», однако после выхода электромобиля «Тесла Модель-S» с запасом хода 400 км и другими столь же привлекательными техническими характеристиками снова на высоте. Основной недостаток этого чуда техники – слишком высокая цена, однако уже ожидается ее снижение до приемлемого значения. Также постоянно наращивается сеть зарядных станций для электротранспорта.

Представляющие легкий электротранспорт мотоциклы, скутеры, электровелосипеды уже популярны в Европе и Азии. Несомненно, у них большое будущее и в нашей стране. А обычные велосипеды у нас популярны давно. Проблема заключается в том, что необходимо развивать сети велодорожек, веломастерских, прокатных пунктов и формировать велосипедную культуру.

Существующие электрички, трамваи и троллейбусы, а также метрополитен во многом устарели и нуждаются в принципиальном обновлении. Прежде всего это касается моторов. С развитием электроники появилась альтернатива ненадежным коллекторным двигателям в виде асинхронных с частотно-регулируемым приводом. Также должны быть внедрены новые композитные материалы для корпусов, как это уже происходит в авиастроении. И, конечно же, система управления всеми этими транспортными средствами должна быть высокоавтоматизированной.