Предисловие

Среди важнейших проблем, поставленных наукой и практикой особое место занимает проблема энергосбережения. Энергосбережение в народном хозяйстве Республики Беларусь поднято на уровень государственной политики. Главные направления и важнейшие меро- приятия по развитию топливно-энергетического комплекса страны и повышению эффектив- ности энергоиспользования отражены в законе Республики Беларусь «Об энергосбережении» и закреплены энергетической программой до 2010 года.

Энергосберегающая политика имеет особо важное значение для отраслей промышлен- ного производства, основанных на теплотехнологии с большой энергоемкостью и с низким уровнем полезного использования топлива. Во многих отраслях легкой промышленности имеются особо крупные резервы экономии топлива и тепла и возможности их практической реализации. Значительное место занимает проблема рационального использования вторич- ных энергетических ресурсов.

Дисциплина «Основы энергосбережения» введена в учебные планы высших учебных заведений. Поставлена задача качественно нового уровня образования инженерного корпуса в области энергосбережения с учетом современных задач государства.

Курс лекций представляет собой содержание курса «Энергосбережение» и содержит все разделы, отраженные государственной учебной программой «Основы энергосбереже- ния». Цель учебного пособия – связать основы энергосбережения как общетехническую дис- циплину с их практическим применением в работе инженера и дать конкретные знания для принятия и внедрения энергоэффективных мероприятий и решений. Сформировать у буду- щих специалистов важность понимания энергосбережения как обязательного процесса, как системы при осуществлении своей деятельности и реализации своего интеллектуального по- тенциала.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения спе- циальностей 1-50 01 01 «Технология пряжи, тканей, трикотажа и нетканых материалов», 1-50

02 01 «Конструирование и технология изделий из кожи», 1-50 01 02 «Конструирование и тех- нология швейных изделий», 1-36 08 01 «Машины и аппараты легкой, текстильной промыш- ленности и бытового обслуживания» Учреждения образования «Витебский государственный технологический университет».

Блок 1 введение в дисциплину. Энергетические ресурсы мира и рб. Тэк

0. Роль энергетики в развитии человеческого общества

Источником всей энергии на Земле является Солнце. В процессе фотосинтеза, являю- щегося основой жизни многих видов растений, живая природа потребляет лишь незначи- тельную часть (около 40 ТВт) от общего количества исходящей от Солнца энергии (около 200000 ТВт). Большее количество солнечной энергии расходуется на согревание атмосферы Земли (50 %), освещение планеты (30 %) и на осуществление процессов кругооборота ве- ществ на Земле (20 %). Использование энергии человечеством растет в геометрической про- фессии. В 1990 году оно составило около 12 ТВт, т. е. 30 % от ее общего количества, погло- щаемого в процессе фотосинтеза.

Энергия является основой жизни на Земле. Растения поглощают солнечную энергию в процессе фотосинтеза; животные потребляют эту энергию косвенным путем, поедая расте- ния и других животных. Человек потребляет солнечную энергию различными путями, в том числе и с пищей. Еще в глубокой древности человек научился перерабатывать энергию Солнца путем сжигания биологической материи (например, древесины или навоза).

История энергетики насчитывает тысячелетия. Процесс потребления энергии на нашей планете исторически протекал крайне неравномерно. Ориентировочное представление о нем может дать рис. 1.1, на котором показано изменение расхода энергии человечеством во вре- мени. Кривая указывает на резкое возрастание потребления энергии начиная с XX в. Челове- чество за всю историю своего существования израсходовало около 900-950 тыс. ТВт ∙ч энер- гии всех видов, причем почти 2/3 этого количества приходится на последние 40-50 лет.

На каждом новом этапе историче- ского развития усложнение хозяй- ственной деятельности человека неизбежно приводило к нехватке энергии, к противоречию между желаемым и возможным. Для пре- одоления противоречия необходи- мо было находить новые источни- ки сил и энергии. Проблема энер- гии - одна из важнейших глобаль- ных проблем, в решении которой заинтересованы все народы, все страны мира.

Первый в истории человече-

ства энергетический кризис разра- зился во II тысячелетии до нашей эры. Тогда единственными источ-

Рис. 1.1. Динамика потребления энергии на Земле и развития цивилизации человечества.

никами энергии были собственная сила человека и сила животных. Выход из этого кризиса был найден в использовании мускульной силы рабов. Развивались ремесла, техника: появи- лись приспособления для увеличения «силовых» возможностей человека – блоки, рычаги, катки и т. п.

Встречались в те давние времена и с энергетическими проблемами, похожими на со- временные. Исследования археологов в древнем горнопромышленном и металлургическом центре Востока – Древнем Египте установили, что выплавка меди там внезапно прекратилась примерно за 1000 лет до нашей эры. Хотя до этого в течение 1000 лет не менее 1000 печей плавили металл, причем в качестве топлива использовали древесный уголь из стволов пальм, там произраставших. Когда пальмовые леса близ месторождения были вырублены, топлива стало не хватать - «локальный энергетический кризис» привел к прекращению производства

металла.

С крахом рабовладельческого строя кончилась эпоха «живой энергетики», и человече- ство должно было искать новые источники энергии. Прежде всего, люди обратили свои по- иски к источникам, которые всегда были перед их глазами – к текущей воде и к ветру. Па- русные суда, водяные колеса, мельницы, ветряные мельницы нашли применение уже в Древ- ней Греции и в период Римской империи. Новый, феодальный строй вызвал к жизни и новую технику, основными энергетическими источниками становятся сила воды и ветра, более про- дуктивно используется сила животных, меняется энергетическая база производства: для при- ведения в движение самых разнообразных станков и механизмов широко используются во- дяные колеса. К середине XVIII в. водяные колеса распространились по всей Европе, вокруг них строятся фабрики, возникают города. Развивающаяся промышленность (ткацкая, метал- лургическая, горное дело, металлообрабатывающая) требовала все больше и больше энергии. В поисках возможных источников энергии люди настойчиво пытались создать машины, ко- торые работали бы сами по себе – вечные двигатели. Навязчивая идея не умерла и до на- стоящего времени, хотя и развенчана наукой.

Великим изобретением, предоставившим человечеству необходимую энергию и воз- можность дальнейшего прогресса, стало изобретение паровой машины и ее распространение в XVIII в. Здесь нельзя не отметить заслуги нашего соотечественника – И. И. Ползунова. С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу теплоту, запасенную в угле, дереве, торфе. Однако серьезные недостатки паровых машин: низкий ко- эффициент полезного действия, большие размеры машины, необходимость подвоза топлива, сложный привод станков (передача движения от машины к станкам), большое количество выделяемой сажи - требовали искать другие, новые источники энергии, новые способы ее получения и преобразования.

Наступает век электричества. Открытие вольтовой дуги, электрического освещения русским электротехником В. В. Петровым положило начало практическому использованию электричества. В 1831 г. Майкл Фарадей изобрел электрогенератор, а за 10 лет до этого - электродвигатель. Электрические машины совершенствовались. Резкий рывок в их развитии

• изобретение русским ученым М. О. Доливо-Добровольским нового типа машины - трех- фазного асинхронного двигателя, работающего на переменном токе.

В начале – середине XX в. электрификация стала основным фактором увеличения про- изводительности труда и условием повышения уровня благосостояния народа.

Современные энергосистемы являются неотъемлемым компонентом инфраструктуры общества, в особенности промышленно развитых стран, которые расходуют примерно 4/5 энергоносителей и в которых живет лишь 1/4 населения планеты. На страны третьего мира, где живет 3/4 населения Земли, приходится около 1/5 мирового потребления энергии.

Учитывая, что энергия является важнейшим элементом устойчивого развития любого государства, каждое из них стремится разработать такие способы энергоснабжения, которые наилучшим образом обеспечивали бы развитие и повышение качества жизни людей, особен- но в развивающихся странах, при одновременном сведении к минимуму воздействия челове- ческом деятельности на здоровье людей и окружающую среду.

В последние 25 лет все развитые страны мира перестали наращивать потребление пер- вичной энергии на душу населения, обеспечив достаточно высокий уровень жизни своих граждан.

Существует тесная взаимосвязь между энергообеспечением, богатством государства и благосостоянием народа. Уровень развития общества определяется способом его энерго- обеспечения. По подсчетам академика А. Берга еще 100 лет назад 98 % потребляемой на Земле энергии приходилось на мускульную силу человека и животных. Энергия, вырабаты- ваемая ветровыми мельницами, водяными колесами, паровыми и электрическими машинами, составляла лишь малую долю.

В настоящее время в результате научно-технического прогресса почти всю тяжелую ра- боту выполняют машины, а на мускульную силу людей приходится меньше 1 % энергии.

Пользование даровыми природными энергоресурсами (ветром и солнечным теплом) способ- ствовало зарождению и становлению цивилизации. Последовательно сменяющиеся виды все более калорийных энергоносителей - дрова, уголь, нефть, газ и, наконец, ядерное топливо - это этапы прогресса, который, создавая блага для человечества, вместе с тем ухудшает эко- логическую среду, уменьшает предел экологической емкости среды обитания, что явля- ется глобальной энергетической проблемой.