Тепловое загрязнение на окружающую среду

1. Вопросы глобального потепления как фактор актуальности темы Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Большинство острейших экологических ситуаций в мире и в Беларуси так или иначе связаны с загрязнением окружающей природной среды (Чернобыль, кислотные дожди, опасные отходы). Загрязнением называют привнесение в окружающую природную среду новых, не характерных для нее агентов: химических (твердых, жидких и газообразных веществ), физических (энергий - в виде звуков, шумов, излучений), биологических (микроорганизмов) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем или превышение естественного уровня этих агентов в среде. Более развернутую характеристику этого понятия приводит известный французский ученый Ф. Рамад (1981): «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сельскохозяйственную продукцию, через воду или другие биологические продукты (вещества)». По объектам загрязнения различают: 1) загрязнение поверхностных и подземных вод; 2) загрязнение атмосферного воздуха; 3) загрязнение почв; 4) загрязнение околоземного космического пространства. Источники загрязнения – промышленные предприятия (химические, металлургические, целлюлозно-бумажные, строительных материалов и т.д.), теплоэнергетика, транспорт, сельскохозяйственное производство и др. В наибольшей степени происходит загрязнение территории крупных городов и промышленных агломераций. Природные загрязнители – пылевые бури, вулканический пепел, селевые потоки. По видам загрязнения выделяют: 1) химические (тяжелыми металлами, пестицидами, отдельными химическими веществами и элементами, синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ), пластмассами), 2) физические (тепловое, шумовое, радиоактивное, электромагнитное), 3) биологические (биогенное, микробиологическое,

продукты и живые организмы, появляющиеся в результате исследований в области генной инженерии). По масштабам и распространению загрязнение может быть локальным (местным), региональным и глобальным. Количество загрязняющих веществ в мире огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов постоянно растет. Мы же остановимся на физических загрязнениях окружающей среды. Физические загрязнения, в свою очередь, подразделяются на: тепловые, шумовые, радиоактивные, электромагнитные. В данном пособии будет рассмотрена тепловая энергия и оказываемое влияние на окружающую среду и здоровье человека. 2.Тепловая энергия Тепловая энергия – вид энергии, носителем которой является пар, горячая вода, нагретый воздух и другие газы, а также технологические среды промышленных производств, используемые для отопления помещений, нужд горячего водоснабжения, вентиляции, а также для технологических нужд промышленности. Тепловая энергия используется человеком для обеспечения необходимых условий его существования, для развития и совершенствования общества, для получения электрической энергии на тепловых электростанциях, для технологических нужд производства, для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. Источниками энергии могут служить вещества и системы, энергетический потенциал которых достаточен для последующего целенаправленного использования. 3. Пути поступления тепловой энергии в окружающую среду. Предприятиями, на которых производится тепловая и электрическая энергия являются:  тепловые электрические станции (ТЭС) на углеводородном топливе  КЭС и ТЭЦ (КЭС производят только электрическую энергию);  на ТЭЦ получают электрическую и тепловую энергию;  котельные различной мощности

 гидравлические электрические станции (ГЭС), использующие энергию падающего потока воды, течения, прилива (на море);  атомные электрические станции (АЭС), использующие энергию ядерного распада; Тепловые электрические станции. К тепловым электрическим станциям относятся конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). В состав государственных районных электростанций (ГРЭС), обслуживающих крупные промышленные районы, как правило входят конденсационные электростанции, используется органическое топливо и не вырабатывается тепловой энергии наряду с электрической. ТЭЦ работают также на органическом топливе, но в отличие от КЭС наряду с электроэнергией производят горячую воду и пар для нужд теплофикации. До настоящего времени ТЭС производят основную часть вырабатываемой энергии. По существующим оценкам ТЭС потребляют свыше трети добываемого в мире топлива. На этих станциях могут применяться различные виды топливных ресурсов: твёрдые: угли и горючие сланцы, жидкие: мазут, дизельное и газотурбинное топливо и газообразные: природный газ – наиболее экологически чистое энергетическое топливо. На протяжении многих лет наблюдался рост мощностей электростанций по экологическим соображениям. При увеличении мощности электростанции значительно снижаются удельные затраты на сооружение водоснабжения, на железнодорожные пути и автодороги, на подсобно-вспомогательные сооружения. Большое значение имеет также увеличение единичной мощности агрегатов электростанций.

Наиболее эффективным техническим средством для достижения высоких экономических показателей ТЭС является повышение параметров пара. Экономическую эффективность мощных энергоблоков с высокими параметрами пара можно проиллюстрировать такими данными: электростанции с блоками по 300 МВТ на 240атм обеспечивают экономию топлива почти на 44% по сравнению с электростанциями, сооружавшимися по плану ГОЭЛРО с агрегатами по 10-16 МВТ на 16-18атм. ТЭС оказывают отрицательное влияние на окружающую среду, осуществляя выбросы продуктов сгорания, золы тепловые сбросы, выбросы загрязненных сточных вод. 4. Тепловое загрязнение Наиболее масштабное однократное употребление воды - производство электроэнергии, где она используется главным образом для охлаждения и конденсации пара, вырабатываемого турбинами тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7° С, после чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют \"тепловым загрязнением\". Тепловое загрязнение – (син. термическое загрязнение), один из видов физического загрязнения, происходящего в результате повышения температуры среды за счет использования человеком энергии, главным образом при сжигании ископаемого топлива (90%). Повышение температуры в водоемах пагубно влияет на жизнь водных организмов. В процессе эволюции холоднокровные обитатели водной среды приспособились к определенному интервалу температур. Для каждого вида существует температурный оптимум, который на определенных стадиях жизненного цикла может несколько изменяться. В каких-то пределах эти организмы способны приспосабливаться к жизни при более высоких или более низких температурах. Если организм живет в условиях самых высоких значений присущего ему температурного интервала, он настолько к ним приспосабливается, что гибель его может наступать при температурах несколько более высоких, чем для организма, постоянно живущего в условиях более низких температур. Большая часть водных организмов быстрее приспосабливается к жизни в более теплой воде, нежели в более холодной. Однако способность к адаптации не имеет абсолютных максимальных или минимальных пределов и меняется в зависимости от вида. В естественных условиях при медленных повышениях или понижениях температур рыбы и другие водные организмы постепенно приспосабливаются

к изменениям температуры окружающей среды. Но если в результате сброса в реки и озера горячих стоков с промышленных предприятий быстро устанавливается новый температурный режим, то времени для акклиматизации не хватает, живые организмы получают тепловой шок и погибают. Тепловой шок — это крайний результат теплового загрязнения. Результатом сброса в водоемы нагретых стоков могут быть и иные, более серьезные, последствия. Одним из них является влияние на процессы обмена веществ. Согласно закону Ван Хоффа, скорость химической реакции удваивается с увеличением температуры на каждые 10 °С. Поскольку температура тела холоднокровных организмов регулируется температурой окружающей водной среды, повышение температуры воды усиливает скорость обмена веществ у рыб и водных беспозвоночных. В свою очередь, это повышает их потребность в кислороде. В результате же возрастания температуры воды содержание в ней кислорода падает. Нехватка кислорода вызывает жестокий физиологический стресс и даже смерть. В летнее время повышение температуры воды всего на несколько градусов может вызвать 100%-ную гибель рыб и беспозвоночных, особенно тех, которые обитают у южных границ температурного интервала. Искусственное подогревание воды может существенно изменить и поведение рыб — вызвать несвоевременный нерест, нарушить миграцию. Если разрушающая сила электростанций превышает способность видов к самовосстановлению, популяция приходит в упадок. Таким образом, повышение температуры воды способно нарушить структуру подводного растительного мира. Характерные для водоемов с холодной водой водоросли заменяются более теплолюбивыми и при возрастании температур постепенно ими вытесняются — вплоть до полного исчезновения. Если тепловое загрязнение усугубляется поступлением в водоем органических и минеральных веществ (смыв удобрений с полей, навоза с ферм, бытовые стоки), происходит процесс эвтрофикации, т. е. резкого повышения продуктивности водоема. Азот и фосфор, служа питанием для водорослей, в том числе микроскопических, позволяют последним резко усилить свой рост. Размножившись, они начинают закрывать друг другу свет, в результате чего происходит их массовое отмирание и гниение. Процесс сопровождается ускоренным потреблением кислорода: он может оказаться полностью исчерпанным, а это грозит гибелью всей экосистемы.

Кроме того, что электростанции способны изменять среду обитания водных организмов, они могут оказывать на них и физическое влияние. Соленая вода, использующаяся для охлаждения, оказывает значительное коррозирующее влияние на металлические поверхности и вызывает высвобождение ионов металлов, особенно меди, в воду. Ракушечные животные накапливают медь в таких количествах, что становятся опасными при использовании их в пищу. Все перечисленные выше последствия теплового загрязнения водоемов наносят огромный вред природным экосистемам и приводят к пагубному изменению среды обитания человека. Ущерб в результате теплового загрязнения можно условно разделить на несколько направлений: • экономический (потери вследствие снижения продуктивности водоемов, затрат на ликвидацию последствий от загрязнения); • социальный (эстетический ущерб вследствие деградации ландшафтов); • экологический (необратимые разрушения уникальных экосистем, исчезновение видов, генетический ущерб). Воздействие теплового загрязнения распространяется на гидросферу, атмосферу и литосферу. Рассмотрим каждый из них подробнее: Воздействие на гидросферу Деятельность всех электростанций завязана на использовании сточных вод для того, чтобы охладить в них конденсаторы и турбины. В воду также попадает горячая жидкость из предприятий. По этим причинам температура воды может подниматься в среднем на 8 градусов по Цельсию. Воздействие на атмосферу Функционирование крупных промышленных комплексов оказывает значительное воздействие на состояние атмосферы. Наибольшее влияние оказывают предприятия, связанные с энергетикой, металлургией, нефтепереработкой и транспортом. В результате их деятельности в атмосферу попадают газы, которые прогреваются до 120 градусов по Цельсию. В результате чего воздух становится горячее, а растительность и жизнь близ этих районов сильно угнетена. Воздействие на почвы

Основной причиной повышения температурного уровня земли является развития подземной коммуникационной системы промышленных предприятий и домов. Воздействие на почву Необходимо проводить тщательную работу по сокращению негативного воздействия производственных предприятий, поскольку их воздействие приводит к нарушению всей экосистемы. 5. Методики оценки количества теплоты в окружающую среду. Для уменьшения расхода теплоты необходим строгий учет тепловых потерь в технологическом оборудовании и тепловых сетях. Тепловые потери зависят от типа оборудования и трубопроводов, правильной их эксплуатации и вида изоляции. Тепловые потери (Вт) рассчитывают по формуле В зависимости от типа оборудования и трубопровода суммарное термическое сопротивление составляет: для изолированного трубопровода с одним слоем изоляции: для изолированного трубопровода с двумя слоями изоляции:

для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром более 2 м: для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром менее 2 м: Носителя к внутренней стенке трубопровода или аппарата и от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м2- К); Хтр, ?.ст, Xj — теплопроводность соответственно материала трубопровода, изоляции, стенок аппарата, /-го слоя стенки, Вт/(м • К); 5СТ. — толщина стенки аппарата, м. Коэффициент теплоотдачи определяют по формуле или по эмпирическому уравнению

Перенос теплоты от стенок трубопровода или аппарата в окружающую среду характеризуется коэффициентом ан [Вт/(м2 К)], который определяют по артериальным или эмпирическим уравнениям: по критериальным уравнениям: Коэффициенты теплоотдачи ав и ан рассчитывают по критериальным или эмпирическим уравнениям. Если горячим теплоносителем является горячая вода или конденсирующийся пар, то ав > ан, т. е. RB < RH, и величиной RB можно пренебречь. Если горячим теплоносителем является воздух или перегретый пар, то ав [Вт/(м2- К)] рассчитывают по критериальным уравнениям: по эмпирическим уравнениям: Тепловая изоляция аппаратов и трубопроводов изготовлена из материалов с малой теплопроводностью. Хорошо подобранная тепловая изоляция позволяет снизить потери теплоты в окружающее пространство на 70 % и более. Кроме того, она повышает производительность тепловых установок, улучшает условия труда. Тепловая изоляция трубопровода состоит в основном из одного слоя, покрытого сверху для прочности слоем листового металла (кровельная сталь, алюминий и др.), сухой штукатурки из цементных растворов и пр. В случае использования покровного слоя из металла его термическим сопротивлением

можно пренебречь. Если покровным слоем является штукатурка, то ее теплопроводность незначительно отличается от теплопроводности теплоизоляции. В этом случае толщина покровного слоя составляет, мм: для труб с диаметром менее 100 мм — 10; для труб с диаметром 100—1000 мм — 15; для труб с большим диаметром — 20. Толщина тепловой изоляции и покровного слоя не должна превышать предельной толщины, зависящей от массовых нагрузок на трубопровод и его габаритных размеров. В табл. 23 приведены значения предельной толщины изоляции паропроводов, рекомендуемые нормами проектирования тепловой изоляции. Тепловая изоляция технологических аппаратов может быть однослойной или многослойной. Потери теплоты через тепловую изоляцию зависят от вида материала. Теплопотери в трубопроводах рассчитывают на 1 и 100 м длины трубопроводов, в технологическом оборудовании — на 1 м2 поверхности аппарата. Слой загрязнений на внутренних стенках трубопроводов создает дополнительное термическое сопротивление переносу теплоты в окружающее пространство. Термические сопротивления R (м • К/Вт) при движении некоторых теплоносителей имеют следующие значения:

В трубопроводах, подающих технологические растворы к аппаратам и горячие теплоносители к теплообменным установкам, имеются фасонные части, в которых теряется часть теплоты потока. Местные потери теплоты (Вт/м) определяют по формуле Коэффициенты местных сопротивлений фасонных частей трубопроводов имеют следующие значения: При составлении табл. 24 расчет удельных тепловых потерь проводился для стальных бесшовных трубопроводов (давление < 3,93 МПа). При расчете тепловых потерь исходили из следующих данных: тем-

пература воздуха в помещении была принята равной 20 °С; скорость его при свободной конвекции — 0,2 м/с; давление пара — 1x105 Па; температура воды — 50 и 70 °С; теплоизоляция выполнена в один слой из асбестового шнура, = 0,15 Вт/(м • К); коэффициент теплоотдачи а„ = 15 Вт/(м2- К). Пример 1. Расчет удельных тепловых потерь в паропроводе.

Пример 2. Расчет удельных тепловых потерь в неизолированном трубопроводе. Заданные условия Трубопровод стальной диаметром 108 мм. Диаметр условного прохода dy = 100 мм. Температура пара 110°С, окружающей среды 18 °С. Теплопроводность стали X = 45 Вт/(м • К). Полученные данные свидетельствуют о том, что использование тепловой изоляции сокращает тепловые потери на 1 м длины трубопровода в 2,2 раза. Удельные тепловые потери, Вт/м2, в технологических аппаратах кожевенного и валяльно-войлочного производства составляют: Пример 3. Расчет удельных тепловых потерь в технологических аппаратах. 1. Барабан «Гигант» изготовлен из лиственницы.

2. Сушилка фирмы «Хирако Кинзоку». 3. Баркас для крашения беретов. Изготовлен из нержавеющей стали [к = 17,5 Вт/(м-К)]; теплоизоляции нет. Габаритные размеры баркаса 1,5 х 1,4 х 1,4 м. Толщина стенки 8СТ = 4 мм. Температура процесса t = = 90 °С; воздуха в цехе /ср = 20 °С. Скорость воздуха в цехе v = 0,2 м/с. Коэффициент теплоотдачи а может бьггь рассчитан следующим образом: а = 9,74 + 0,07 At. При /ср = 20 °С а составляет 10—17 Вт/(м2 • К).

Если поверхность теплоносителя аппарата открыта, удельные тепловые потери от этой поверхности (Вт/м2) рассчитывают по формуле Индустриальная служба «Каприкорн» (Великобритания) предлагает использовать систему «Алплас» для уменьшения тепловых потерь с открытых поверхностей теплоносителей. Система основана на применении полых полипропиленовых плавающих шариков, почти полностью покрывающих поверхность жидкости. Опыты показали, что при температуре воды в открытом резервуаре 90 °С тепловые потери при использовании слоя шариков снижаются на 69,5 %, двух слоев — на 75,5 %. Пример 4. Расчет удельных тепловых потерь через стенки сушильной установки. Стенки сушильной установки могут быть изготовлены из различных материалов. Рассмотрим следующие конструкции стенок: 1. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм с расположенной между ними изоляцией в виде асбестовой плиты толщиной 5И = 3 см и теплопроводностью Хи = 0,08 Вт/(м • К). 2. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм и изоляцией в виде слоя стекловолокна толщиной 5И = 3 см и Хи = 0,04 Вт/(м • К). 3. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм и изоляцией в виде слоя шлаковаты толщиной 5И = 3 см и Хи = 0,076 Вт/(м • К). Сравним удельные тепловые потери через стенки сушильной установки:

Как видно из расчетов, уменьшить потери теплоты можно за счет применения соответствующего вида изоляции. В производственных условиях имеют место потери теплоты при утечке теплоносителя через неплотности соединений. В этом случае потери теплоты (кВт) определяют по формуле Например, потери теплоты при утечке воды, температура которой 70 °С, через отверстие диаметром 5 мм со скоростью 0,5 м/с составляют 6.Проблемы загрязнения 7. Пути решения Направления государственной политики в области энергосбережения и охраны окружающей среды: - Максимально эффективное производство, распределение и передача энергии; - Сокращение энергоемкости в производстве продукции, оказании услуг; - Использование энергоэффективного оборудования, систем освещения, отопления;

- Развитие малой гидроэнергетики; - Применение возобновляемых энергетических источников, биомассы, местных видов топлива; - Комплексная переработка отходов; - Организация эколого-энергетического аудита и экспертизы проектов предприятий; - Территориальное природоохранное планирование и прогнозирование; - Реконструкция и строительство очистных сооружений и природоохранных объектов; - Разработка экологических стандартов и паспортов предприятий. https://ecoportal.info/teplovoe-zagryaznenie/ https://ru-ecology.info/post/104051700040007/ https://www.bsuir.by/m/12_104571_1_65355.pdf http://nuclphys.sinp.msu.ru/ecology/ecol/ecol05.htm http://energetika.in.ua/ru/books/book-5/part-1/section-2/2-9 https://studfile.net/preview/8184214/ https://www.hvac- school.ru/biblioteka/tepl_balans/metodika_rascheta/teploti_pomeshhen/ https://www.bsuir.by/m/12_104571_1_65355.pdf https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5270 https://bezotxodov.ru/zagrjaznenenija/teplovoe-zagrjaznenie#i-2 https://cyberleninka.ru/article/n/problema-ekonomicheskoy-otsenki- teplovogo-zagryazneniya-atmosfery-obektami-elektroenergetiki-1 https://moluch.ru/archive/128/35548/ https://studbooks.net/871914/ekologiya/teplovoe_zagryaznenie http://energoeffekt.gov.by/downloads/education/energoeff_2010.pdf