Общая энергетика

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА 

Учебное пособие 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 

Министерство образования и науки российской федерации 
 

Первое высшее техническое учебное заведение России 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования 

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» 

 
ПИСКУНОВ В.М. 

 
ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА 

Учебное пособие 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

2016 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Энергетика – область народного хозяйства, включающая 
энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и 
использование 
различных 
видов 
энергии. 
Ведущая 
отрасль 
энергетики – электроэнергетика. Энергетика связана системными 
связями с другими отраслями народного хозяйства (металлургией, 
машиностроением, 
транспортом, 
связью, 
химическими 
технологиями, стройиндустрией и др.) и во многом определяет 
уровень развития экономики, состояния общества.  
Энергоресурсы – материальные объекты, часть энергии 
которых может быть использована человеком для получения 
теплоты, электроэнергии, работы. 
Что такое энергия? Это обобщенная форма движения материи, 
количественная мера качественно различных форм движения 
материи. Различают виды энергии: электрическую, тепловую, 
механическую, упругую, электромагнитную и др. 
Единицы измерения энергии и мощности согласно системе 
СИ: энергия Е, работа L, теплота Q - измеряются в джоулях (Дж = 
н·м); килоджоулях (кДж) – 103 Дж, мегаджоулях (МДж) – 106 Дж, 
гигаджоулях (ГДж)– 109 Дж.  
Для измерения отпущенной и потребляемой энергии в 
энергетике используется единица киловатт · час (кВт·ч), 1 кВт·ч = 
3,6 МДж.  
Мощность N, или энергия в единицу времени, измеряется в 
ваттах (Вт); 1Вт = 1Дж/с – это энергия, произведенная или 
затраченная за одну секунду; киловатт (кВт) – 103Вт, мегаватт (МВт) 
– 106 Вт.  
Теплота сгорания топлива   
  – это энергия, выделяемая при 
сгорании одного килограмма топлива. (кДж/кг или МДж/кг); 
например, топочный мазут имеет теплоту сгорания около 40 
МДж/кг, природный газ – около 35 МДж/м3, каменный уголь – от 15 
до 27 МДж/кг. 
Для сравнения общих энергозатрат при использовании 
различных видов топлива введено понятие условного топлива, 
теплота сгорания которого составляет       
 
 = 29,3 МДж/кг, или 
7000 Ккал/кг.  

Системные связи в топливно-энергетическом комплексе 
представлены на рис. 1.  
Первичной называют энергию, запасенную в природе (энергия 
топлива, ветра, тепло Земли и др.). Энергия, получаемая на 
энергетическом 
производстве, 
считается 
вторичной 
(энергия 
электрическая, пара, горячей воды и др.) 
Получение энергии необходимого вида и снабжение ею 
потребителей происходит в процессе энергетического производства, 
в котором можно выделить два этапа: получение и подача 
энергоресурсов к месту их потребления; преобразование первичной 
энергии во вторичную, ее передача, распределение и использование. 
Основа 
энергетики 
– 
органическое 
топливо, 
поэтому 
энергетика является наиболее крупным загрязнителем окружающей 
среды. Отсюда вопросам охраны окружающей среды, экологической 
безопасности 
природоохранным 
технологиям 
уделяется 
в 
энергетике большое внимание 

Рис. 1. Системные связи в энергетике 
 
На рис. 2 представлена схема топливно-энергетического 
баланса (ТЭБ) России на конец ХХ века. 
 
  

Рис. 2. Схема топливно-энергетического баланса России на конец ХХ века 
 
Приходная часть баланса (левая часть схемы на рис. 2) имеет 
следующие составляющие. 
Природный газ (около 45 % приходной части). Это – 
наиболее чистое, высокоценное органическое топливо. Запасы его в 
России велики – около 35 % мировых, годовая добыча около 600 
млрд 
н 
· 
м3. 
Основные 
месторождения 
газа 
залегают 
в 
труднодоступных, малонаселенных районах с суровым климатом 
(Ямало-Ненецкий автономный округ Тюменской области, на шельфе 
Баренцева моря). Разведка, обустройство месторождений; добыча, 
переработка, транспортировка газа магистральными газопроводами 
требуют больших капиталовложений.  
Нефть (около 30 % приходной части баланса). Это – наиболее 
ценное органическое топливо. Из нефти получают бензин и 
соляровое масло для двигателей внутреннего сгорания, керосин для 
авиационных двигателей, мазут для ТЭС. Она же служит сырьем для 
производства пластмасс, резины, искусственного волокна. Запасы 
нефти на Земле и в России ограничены, добыча ее обходится все 
дороже. Еще  Менделеев говорил: «Нефть – не топливо, топить 
можно и ассигнациями». Добыча нефти в СССР превышала 600 млн 
т год. Сейчас Россия добывает около 300 млн т. Основные 
нефтеносные провинции, как и газоносные, расположены в 

труднодоступных 
 
регионах 
Сибири 
(Ханты-Мансийский 
автономный округ). Добыча нефти снижается, и уже высказывается 
опасение, что в  ХХI веке Россия из экспортера нефти превратится в 
импортера – вынуждена будет ввозить нефть для внутреннего 
потребления. Кстати, соединенные Штаты, располагая крупными 
собственными запасами нефти, ввозят ее в больших количествах. 
Каменный уголь.  Его доля в приходной части баланса около 
16 %. Этого топлива в России и в мире много, хватит на столетия. 
Однако уголь – это топливо, которое в наибольшей степени 
загрязняет окружающую среду. Труд шахтеров – тяжелый и 
опасный. 
При 
добыче 
угля 
в 
карьерах 
после 
выработки 
месторождения остается «лунный ландшафт» - искореженная, 
безжизненная земля. К тому же основные угольные бассейны России 
– Кузнецкий, Печорский, Канско-Ачинский, Якутский лежат далеко 
от главных потребителей энергии, транспортировка топлива 
обходится дорого. 
На долю всех остальных первичных энергоносителей – торфа, 
дров, гидроэнергии, ядерной энергии и т. д. приходится всего около 
9 %. 
Расходная часть теплового баланса 
Основной потребитель энергоресурсов – энергетика. Около 12 
% идет на производство электроэнергии (в том числе 70 %  - на ТЭС 
и примерно по 15 % - на ГЭС и АЭС).  
Около 18 % идет на производство теплоты, в том числе 
отпускаемой с паром и горячей водой. В сравнении с развитыми 
странами в энергетике России мала доля АЭС и угольных ТЭС и 
чрезмерно 
велика 
доля 
использования 
дефицитного 
высококачественного топлива – газа, мазута. Заметим, что 
Соединенные Штаты более 45 % своей электроэнергии получают на 
угольных ТЭС. 
Около 18 % энергоресурсов расходует технология (черная и 
цветная металлургия, производство строительных материалов, 
машиностроение, химическая промышленность и т. д.). 
Около 17 % – транспорт, морской и речной флот, авиация, 
тепловозы, автомобили, тракторы различного назначения; сюда же 
входит 
расход 
газового 
и 
нефтяного 
топлива 
на 
привод 
компрессорных и насосных установок трубопроводов. 

Примерно 5 % энергоресурсов расходует сельское хозяйство – 
двигатели сельхозмашин, переработка продукции. 
Остальные 30 % (газ, нефть, нефтепродукты) в последние 
годы Россия отправляет на экспорт. Отметим, что из развитых стран 
только Норвегия экспортирует нефть со своих североморских 
месторождений. 
Превращение тепловой энергии в механическую основано на 
законах термодинамики, которые устанавливают, как осуществить 
тепловой цикл, чтобы установка была наиболее экономичной. 
 
 
Раздел 1. Теоретические основы теплоэнергетики 
 
Более подробная информация по разделу содержится в 
учебных пособиях [1], [2]. 
В разделе две темы: 
- техническая термодинамика; 
- теплообмен. 
При работе с теоретическим материалом следует ответить на 
контрольные вопросы, приведенные в конце данного раздела. 
После 
проработки 
теоретического 
материала 
следует 
обратиться к практикуму и разобрать примеры решения задач, а 
затем выполнить задачу № 1 контрольной работы. 
После изучения данного раздела необходимо ответить на 
вопросы теста № 1 и решить экзаменационную задачу по данному 
разделу. Максимальное количество баллов, которое Вы можете 
получить, составляет 30: 10 баллов за тестирование и 20 баллов за 
решение экзаменационной задачи. 
 
 
Тема 1.1. Техническая термодинамика 
 
Общие положения. Термодинамика – это наука, изучающая 
законы 
превращения 
энергии 
в 
различных 
процессах, 
сопровождающихся поглощением или выделением теплоты (такие 
процессы имеют общее название – тепловые процессы). 
Термодинамика 
как 
наука 
основана 
на 
трех 
экспериментальных законах (началах). 

Первый 
закон 
термодинамики 
(или 
первое 
начало 
термодинамики) есть не что иное, как частный случай закона 
сохранения и превращения энергии применительно к тепловым 
процессам. 
Второй закон (второе начало) термодинамики определяет 
направление течения тепловых процессов. 
Третий закон (третье начало) термодинамики утверждает 
принцип недостижимости абсолютного нуля температуры. 
В 
зависимости 
от 
задач 
исследования 
рассматривают 
термодинамику техническую и химическую, общую (физическую) 
термодинамику и т. д. 
Техническая 
термодинамика 
изучает 
закономерности 
взаимного превращения тепловой и механической энергии и 
свойства тел, участвующих в этих процессах. Главной задачей ее 
является нахождение с помощью термодинамического метода 
наиболее рациональных способов взаимного превращения теплоты и 
работы. 
Основными 
особенностями 
термодинамического 
метода 
исследования тепловых процессов являются: 
▪ термодинамика имеет дело только с макроскопическими 
величинами (микроструктура веществ здесь не рассматривается); 
▪ все основные выводы термодинамики можно получить 
методом дедукции (т. е. от общего к частному), используя только 
два первых закона. 
Выбранную для термодинамического исследования группу тел 
или одно тело называют термодинамической системой; все, что 
находится вне системы – внешней или окружающей средой. 
Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, 
осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. 
 
 
1.1.1. Термодинамическая система, параметры состояния 
 
В термодинамике рассматриваются только макроскопические 
тела, которые носят общее название термодинамической  системы. 
Термодинамическая система (ТДС) – это материальное тело 
(или совокупность тел), способное (способных) обмениваться 

энергией между собой и окружающей средой (ОС). На рис. 1.1 
представлена термодинамическая система и окружающая среда.  
Газ с давлением Р заключен в цилиндре 1 под поршнем 2 со 
штоком 3, внешняя среда - окружающий воздух, контрольная 
поверхность (оболочка) - стенки цилиндра 1. 
В зависимости от условий энергетического взаимодействия 
ТДС с окружающей средой и другими системами различают 
изолированную, открытую, закрытую и адиабатно изолированную 
(без теплообмена с ОС) термодинамические системы.  

Рис. 1.1. Термодинамическая система и окружающая среда 
 
Изолированная 
термодинамическая 
система 
не 
может 
обмениваться энергией и веществом с другими системами, 
окружающей средой, но вместе с тем ее отдельные части могут 
взаимодействовать между собой. Термодинамическую систему, 
которая может обмениваться веществом с другими системами, 
называют открытой (например, потоки пара или газа в турбине). 
Если вещество не проходит через границы системы, ее называют 
закрытой. 
Термодинамическая 
система, 
которая 
не 
может 
обмениваться теплотой с другими системами (окружающей средой), 
называется теплоизолированной, или адиабатной. 
Термодинамическая система в зависимости от внешних 
условий в каждый момент времени находится в каком-либо 
физическом состоянии. Количественное состояние системы при 

этом характеризуется определенными физическими величинами – 
параметрами состояния. 
Параметрами состояния называют физические величины, 
которые характеризуют свойства системы и могут быть измерены.  
Это – давление Р, температура Т и удельный объем ν. 
Температура – мера внутренней энергии, пропорциональная 
кинетической энергии рабочего тела, абсолютная Т, К; T = t + 
273,15, t, oC. 
Давление Р – сила, действующая по нормали на единицу 
площади поверхности тела. 

                       

                
       

где B – барометрическое давление, 
Ризб, Рвак – манометрическое давление и давление вакуума. 
За единицу давления принят один паскаль (Па) 
1 Па = 1н/м2; 1 кПа = 103 Па, 1 МПа = 106 Па, 1 бар = 105 Па, 
1 ат = 0,098 МПа; 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. 
 
Удельный объем ν – это объем единицы массы вещества, 
м3/кг. 
Плотность ρ – величина, обратная удельному объему ν, ρ = 1/ν, 
кг/м3. 
Если термодинамические параметры состояния (давление Р, 
температура Т и удельный объем ν) постояны во времени и 
одинаковы во всех точках системы, то такая система называется 
равновесной. 
Для 
равновесной 
термодинамической 
системы 
существует функциональная связь между параметрами состояния, 
называемая уравнением состояния: 

F(P, T, ν) = 0.                                            (1.1)   

При взаимодействии системы с окружающей средой ее 
состояние изменяется. Изменение состояния термодинамической 
системы называют термодинамическим процессом. 
 
 
1.1.2. Термодинамический процесс