Сборник задач по экологии энергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИРОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИМОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)В.Б. Тупов, М.Г. ЛысковСБОРНИК ЗАДАЧ ПО ЭКОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИКИУчебное пособиепо курсу «Экология»для студентов теплотехнических специальностейМоскваИздательский дом МЭИ20111УДК 620Т 853Утверждено учебным управлением МЭИ (ТУ)в качестве учебного пособия для студентовПодготовлено на кафедре котельных установок и экологии энергетикиРецензенты:канд.

техн. наук С.А. Фадеев(институт «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского»);доктор техн. наук, проф. Г.П. Плетнев (МЭИ (ТУ))Т 853Тупов В.Б.Сборник задач по экологии энергетики: учебное пособие/ В.Б. Тупов, М.Г. Лысков. — М.: Издательский дом МЭИ,2011. — 136 с.ISBN 978-5-383-00574-3Сборник задач по экологии энергетики составлен в соответствии спрограммой курса «Экология» и охватывает разделы указанной программы: экологические характеристики биосферы Земли; загрязнениебиосферы Земли вредными выбросами при сжигании органическоготоплива.Особенностью книги является использование при решении всехзадач программного пакета MathCAD.

Ко всем задачам даны ответы, атиповые задачи приведены с подробными решениями.Для студентов теплотехнических специальностей.ISBN 978-5-383-00574-32© Тупов В.Б., Лысков М.Г., 2011© ЗАО «Издательский дом МЭИ», 2011ПредисловиеВ данном учебном пособии приведены задачи по разделам курса«Экология», связанные с определением экологических характеристикбиосферы Земли и ее загрязнения вредными выбросами при сжигании органического топлива.В задачах по основным характеристикам биосферы проводятсярасчеты от массы кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза, до увеличения глубины океана в результате таяния ледниковАрктики и Антарктиды.

Здесь также содержатся задачи по экологическому воздействию объектов энергетики на природу: определениевыбросов оксидов азота, серы и золы, максимальной приземной концентрации при сжигании органического топлива на ТЭС, необходимой высоты дымовой трубы, предельно-допустимого выброса энергетического объекта, эффективности мер по снижению выбросов.Даны задачи на определение основных характеристик шума, уровняшума от источника и снижения шума экраном.В начале каждой главы приводятся необходимый справочный материал и расчетные формулы для решения задач.

Учтены последниеизменения нормативных документов. Некоторые расчетные формулыдаются с упрощениями, учитывая, что студенты первого курса ещене прослушали специальных курсов.Особенностью книги является использование при решении всехзадач программного пакета MathCAD.

Задачи оформлены какMathCAD-документы. Использование этого программного пакетапозволяет проводить анализ полученных результатов наиболее всесторонне и полно.Ко всем задачам даны ответы, а типовые задачи приведены с подробными решениями.При написании учебного пособия был учтен многолетний опыт,полученный при чтении лекций и проведении практических занятийстудентам Московского энергетического института (техническогоуниверситета).Задачник можно использовать как для проведения практическихупражнений, так и для самостоятельной работы студентов.Авторы с благодарностью примут замечания и пожелания по содержанию материала книги, которые следует посылать по адресу:111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Издательский дом МЭИ.Авторы31.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИКОМПОНЕНТОВ БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИИсходные и справочные данныеБиосфера — это самая крупная на Земле экологическая система,совокупность биотических и абиотических компонентов, которыевзаимодействуют между собой и обмениваются веществом, энергиейи информацией. Биотические (живые) компоненты — это микроорганизмы, растения, животные и человеческое общество с его средствами труда, продуктами труда и отходами производства.

Абиотические(неживые) компоненты — это те среды, в пределах которых могутсуществовать живые организмы. Приведенные ниже справочныеданные используются при решении задач, касающихся в основномабиотических компонентов биосферы Земли.1. Земля. Средний радиус Земли равен 6371,032 км. Масса Землисоставляет приблизительно 6æ102721т (для сравнения масса Солнца —622æ10 т). Площадь поверхности Земли равна 510,2æ10 км . Поверхность суши составляет 30 % поверхности Земли (т.е.

153×62×10 км ). При этом поверхность суши занимают приблизительно:20 % — леса; 40 % — сельскохозяйственные угодья (пашня, посевы,выпасы), 40 % — другое.Ограничение по производству энергии в нижних слоях тропосферы по тепловым лимитам биосферы составляет около 1 % всегоколичества солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли.2Поверхность Земли получает от Солнца до 15 000 кДж/(м æсут) тепловой энергии.2.

Гидросфера. Гидросфера — это покрытые водой поверхностиЗемли, которые занимают более 71 % всей поверхности. Масса гид18росферы равна около 2æ10 т, масса пресной воды (воды с содержанием примесей не более 1г/кг) — не более 3 % всей ее массы.62Около 3,1 % поверхности Земли (16,1æ10 км поверхности суши) покрыто льдами. Общий объем ледников на Земле составляет63приблизительно 32,5æ10 км . Основная масса льда находится в Ан-тарктике (29æ106 км3) и Гренландии (2,5æ106 км3).

Плотность льда4равна 0,92 плотности воды (ρвод = 1000 кг/м3 при условиях, близкихк нормальным).3. Атмосфера. Атмосфера — это газовая оболочка, которая окру15жает Землю, ее масса составляет приблизительно 5,2æ10 т. Химический состав сухого воздуха (по объему), %, в приземном слоеатмосферы следующий:• азот — 78;• кислород — 21;• аргон — 0,93;• углекислый газ — 0,04;–6–6• озон — 2æ10 (зимой), 7æ10 (летом).В настоящее время (по результатам измерений) ежегодно повышается содержание CO2 в атмосфере в среднем на 0,00023 %.

Опаснойсчитается концентрация углекислого газа в атмосфере на уровне0,05—0,06 %, при достижении которой средняя температура наЗемле может повыситься на 2—3 °С («парниковый» эффект).На высоте 20—25 км в атмосфере расположен так называемыйозоновый слой, который защищает живые организмы от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Толщина слоя озона,если весь озон слоя собрать в сплошную пленку, составит в среднем3 мм.4. Массу отдельных газов, т, входящих в состав воздуха атмосферы, можно определить по формулыMi = Mатмσiæ10–2ρi/ρв,(1.1)где Mатм — масса атмосферы земли, т; σi — объемное содержаниеi-го газа в атмосфере, %; ρв и ρi — плотности воздуха и i-го газа принормальных условиях, кг/м3. Плотности при нормальных условиях3(температуре 0 °С и давлении 101,3 кПа): воздуха ρв = 1,293 кг/м ,3кислорода ρ O = 1,429 кг/м , азота ρ N22= 1,25 кг/м3, углекислого33газа ρ CO = 1,94 кг/м , озона ρ O = 2,095 кг/м .

Изменения давления,23температуры и плотности воздуха в слоях атмосферы даны ниже (см.рис. П.1).55. Эмиссию углекислого газа СО2, т/год, при сжигании органического топлива можно рассчитать по соотношениюM CO2 выбp= К CO B у.т ,(1.2)2где Bу.т — расход сжигаемого топлива, т у.т/год. В настоящее время вмире сжигается до 14æ109 т условного топлива* в год (условное топливо введено для удобства расчетов, имеет теплоту сгорания Qу.т == 29 310 кДж/кг). Углеродный коэффициент К CO при современной2структуре топливного баланса с увеличенной долей угля равен приблизительно 1,95 т/т у.т.6.

Расход натурального топлива Bн.т , если известна его теплотасгорания Qн.т , можно определить, по соотношениюBн.т = Bу.тQу.т/Qн.т .(1.3)7. Фотосинтез. В результате процесса фотосинтеза генерируетсяоколо 200 млрд т свободного кислорода в год, образуется около150 млрд т органических соединений и усваивается 300 млрд т СО2.Экспериментальные данные показывают:• в среднем 1 га леса дает 23 т/год O2 (1 га соснового леса генерирует в год до 30 т O2, 1 га лиственного леса — около 16 т/год O2);• 1 га сельскохозяйственных угодий дает около 5 т кислорода;• растения моря дают приблизительно половину генерируемогона Земле кислорода.С начала XXI в. ежегодное количество потребляемого на Землекислорода находится на уровне 170—180 млрд т/год.Задачи (MathCAD документы)Задача 1.1. Во сколько раз масса кислорода M O2 атм, находяще-гося в настоящее время в атмосфере Земли, превышает массу кислорода M O ген , генерируемого ежегодно в процессе фотосинтеза?2*6Далее везде используется единица т у.т.Решение.