Цель: формирование компетентностей – образовательной, коммуникативной, творческой, управленческой.
В конференции принимали участие “специалисты”:
- Инженеры-теплотехники.
- Химики-технологи.
- Врач-лаборант СЭС.
- Представитель ЦЗЛ.
- Корреспонденты газет.
- Представители всемирной организации “Гринпис”.
Выступления специалистов:
- Специалист по топливу.
- Технология сжигания топлива.
- Технология водоочистки.
- Теплотехник городской котельной.
- Специалист по ракетным двигателям.
- Врач СЭС – экология города.
- Ответы на вопросы представителей прессы и организации “Гринпис”.
- Выпуск газеты и ее представление.
К уроку подготовить:
1. Модели тепловых двигателей.
2. Таблицы тепловых двигателей:
- турбины,
- ракеты,
- ДВС.
3. Таблицы получения топлива:
- ректификационная колонна,
- крекинг нефти.
4. Реактивы: временная и постоянная жесткость, известковая вода, раствор соды.
5. Прибор для нагревания.
6. Кинофильмы:
- тепловые двигатели в н/х (фрагмент второй части),
- нефть и её переработка (фрагмент второй части).
7. Коллекция: “Виды топлива”, продукты переработки нефти.
Лозунг на доске: “Без тепловых двигателей – не мыслим мы прогресс”.
8. План проведения урока.
9. Таблички присутствующих специалистов на конференции.
10. Химические уравнения написанные на полосках ватмана: Схема крекинга термического и каталитического; уравнение реакции устранения временной и постоянной жесткости с помощью реактивов и ионообменника.
11. Газоанализатор и наглядность для хроматографического анализа.
12. Материалы для оформления газет и заголовка.
13. Провести экскурсии на предприятия города с небольшими группами ребят.
- СЭС (промышленная лаборатория). Контроль за состоянием окружающей среды в городе и действие на организм продуктов выброса при работе тепловых двигателей.
- Автохозяйство ГХК. Устройство работы ДВС, их влияние на окружающую среду, устранение неисправностей.
- Котельная №2. Устройство паровых котлов, их эксплуатация, используемое топливо, подготовка воды (работа ионообменников), выполнение норм ПДК, экономические вопросы.
14. Пригласить на урок специалиста из ЦЗЛ (Центральная заводская лаборатория ГХК).
15. Подготовить ведущих.
16. Помочь специалистам в подборе материала для выступления.
ХОД ПРЕСС-КОНФЕРЕНЦИИ
Ведущий: Топливные двигатели –
устройства превращающие внутреннюю энергию в
механическую. Запасы внутренней энергии в земной
коре и океанах можно считать практически
неограниченными. Но располагать запасами
энергии еще недостаточно, необходимо за счет
этой энергии приводить в движение средства
транспорта – тракторы и другие машины, вращать
роторы генераторов.
Сегодня мы рассмотрим тепловые двигатели
используемые в городском хозяйстве, а так же
экологические проблемы связанные с применением
их. Не смотря на разнообразие тепловых
двигателей, все они имеют общее устройство и
принцип действия.
Внутреннюю энергию полученную при сжигании
топлива передают рабочему телу, которое
совершает работу, часть внутренней энергии
передается холодильнику.
Изменение внутренней энергии зависит от “q” и “m”, т.е. зависит от топлива
Специалист по топливу.
Виды топлива
Горючие материалы, сжигаемые ради использования выделяющейся при этом теплоты, называются топливом.
Демонстрация коллекции “Виды топлива”.
По агрегатному состоянию выделяют три вида топлива:
1) твердое топливо – древесина, ископаемые угли,
горючие сланцы , торф и т. д.
2) жидкое топливо получают из нефти: бензин,
керосин, мазут и т. д.
3) газообразное топливо: природные горючие газы,
генераторный газ.
Генераторный газ получают в газогенераторе из твердого топлива; м-р. кокса. Уравнение происходящих в газогенераторе реакций:
C+ O2 = CO2 + 4O22 кДж.
CO2 + C = 2CO –160 кДж.
Горючая смесь, состоящая из оксида углерода II и
азота, с применением углекислого газа и других
веществ- называется генераторным газом.
Водяной газ получают пропуская пары воды через
раскаленный кокс.
C+ H2O = CO+ H2
Жидкое топливо получают из нефти. Нефть – это смесь углеводородов различных типов: предельные, циклопарафины, ароматические. Основным способом первичной переработки нефти является перегонка.
Демонстрация коллекций.
В ректификационных колонах разделяют углеводороды по их to кипения: бензин (40 – 200о ), лигроин(120 – 240о), керосин и газойль (150 – 310о), мазут.
Таблица “Устройство ректификационной колоны”.
Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более20%). Выход бензина из нефти можно значительно увеличить (до 65 – 70%) путем расщепления углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой. Этот процесс называется крекингом.
Различают два основных вида крекинга: термический и каталитический.
Рисунок 1
Демонстрация фрагмента кинофильма (крекинг нефти).
Важнейшие задачи – внедрение безотходных производств. Это позволяет сократить расходование материальных ресурсов, полнее использовать сырье.
Технология сжигания топлива
Q = m q, где q – теплотворная
способность топлива. Эта величина постоянная,
следовательно, чтобы увеличить Q, необходимо
увеличить массу топлива. Массу топлива до
бесконечности увеличивать нельзя т. к.
ограничивает ее объем емкость для сжигания.
Увеличить Q можно за счет выполнения технологии
сжигания.
Для того, чтобы началось горение, необходимо два
условия: 1) нагревание горючего вещества до
температуры воспламенения; 2) доступ кислорода.
Горение, это химическая реакция. При полном
сгорании твердого топлива образуется теплота,
выделяется СО2 и Н2О. 1). С + О2 = СО2
+ Q. При неполном сгорании твердого топлива
образуется СО; 2) 2С+ О2 = 2СО + Q сгорание газа:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + Q
Скорость реакций, в которых участвуют
твердые вещества, зависит от их поверхности, а
последняя от степени измельчения, т. е. твердое
топливо необходимо измельчить, а жидкое –
распылять.
При подаче воздуха в топку необходимо также
соблюдать определенные условия. Если воздуха
недостаточно, то сгорание будет неполное:
образуется СО2 и остаются не сгоревшими
мелкие частицы угля в виде сажи. В результате
выделяется гораздо меньше теплоты по сравнению с
теоретически возможным.
Если воздух подается в избытке, то значительная
часть выделяемой теплоты напрасно затрачивается
на его обогревание.
Так как горение – химическая реакция, то при
сжигании топлива необходимо делать расчеты
необходимого количества топлива и кислорода, по
уравнению реакции, О2 берется несколько в
избытке.
В топку добавляется уже нагретый воздух.
Рабочим телом в любой тепловой машине является
пар или газ, т. к. твердые и жидкие тела не
изменяют свое давление, объем с изменением
температуры.
На тепловых электростанциях рабочим телом
является пар, который получают в паровых котлах.
Вода в природе имеет примеси, которые при
нагревании оседают на стенках трубок. Изменяя их
сечение, скорость воды или пара, изменяется
давление, трубы находятся в неравномерном
напряжении, быстро выходят из строя, кроме того,
уменьшается их теплопроводность, что приводит к
дополнительному расходу топлива.
Водоподготовка
О подготовке воды для паровых котлов расскажет специалист по этому вопросу.
Очистка воды
В природе чистая вода не встречается:
она всегда содержит примеси каких- либо в-в.
Взаимодействия с солями, содержащимися в земной
коре, она приобретает определенную жесткость.
Жесткость воды – совокупность свойств,
обусловленных содержанием в воде катионов Са2+
и катионов Mq2+.
Если концентрация этих катионов велика, то воду
называют жесткой, если мала – мягкой.
По отношению к процессам умягчения воды
различают жесткость карбонатную и
некарбонатную.
Карбонатную или временную жесткость устраняют
кипячением.
Демонстрация: устранение временной
и постоянной жесткости.
На доске прикрепляются полоски, где написано
уравнения реакций.
1) Устранение временной жесткости:
2) Действие известкового молока или соды:
Для устранения жесткости в нашей
котельной принимается современный метод
устранения жесткости – катионный.
Катиониты – синтетические ионообменные смолы и
алюмосиликаты.
Их состав условно можно выразить общей формулой
Na2R. Если пропускать воду через катиониты,
то ионы Nа + будут обмениваться на ионы Са2+
и Мq.2+
Схематически эти процессы можно выразить уравнениями:
Ca2+ + Na2R = 2Na+ + CaR
Таким ообразом ионы кальция и магния
переходят из раствора в катионит, а ионы натрия –
из катионита в раствор, жесткость при этом
устраняется.
Катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе
NaCL, при участии которого происходит обратный
процесс: CaR + 2Na+ = Na2R+ Ca2+
Регенерированный катионит снова может быть
использован для умягчения новых порций жесткой
воды.
Ведущий: Ни одна тепловая машина не может работать без холодильника. Если бы пришлось возвращаться в исходное положение при той же to, при которой происходило расширение газа, то для этого потребовалась бы такая же работа А1 которая была совершена при расширении. За полный цикл машина не совершила бы полезной работы. Но если сам газ сжимать при температуре Т2 меньшей чем Т1, тогда давление газа понизится и для его сжатия потребуется меньшая работа.
В нашем городе очень распространены поршневые двигатели. Суммарная мощность поршневых двигателей в 4 раза превышает мощность других источников энергии. О работе ДВС расскажет специалист по этим двигателям.
ДВС – карбюраторный.
(Это выступление призвано восстановить у учащихся имеющиеся сведения о четырех тактах работы двигателя и его принципиальном устройстве).
На модели ведется объяснение каждого такта работы и вычерчивается Р-Y диаграмма идеализированного цикла.
Рисунок 2
ДВС – дизельный.
На тяжелых грузовых автомобилях вместо
карбюраторных двигателей ставят мощные
дизельные, уже давно успешно работающие на
тракторах, судах. В этом двигателе поршень
засасывает чистый воздух (изобара 1-2). Второй такт
– сжатие воздуха (адиабата 2-3).
Степень сжатия достигает 17.
А так как воздух к тому же нагревается, то
давление повышается до 30-40о. 105 Па.
Для того что бы преодолеть это давление и
обеспечить хорошее перемешивание тяжелого
дизельного топлива с воздухом, дизельное топливо
впрыскивают в цилиндр под давлением 107 Па.
В отличие от карбюраторных двигателей, где
горючая смесь сгорает быстро (взрыв), в дизельных
она сгорает довольно медленно (изобара 3-4); 4 –
прекращение подачи горючего; 3-4-5 – рабочий ход; 5-6
– открыт выхлопной клапан; 5-6-7 – выхлоп.
Рисунок 3
Инженер по эксплуатации ДВС рассказывает о детонации (взрыв опережает сжатие). Во избежание детонации в бензин вводят различные добавки, повышают октановое число. Рассказывает о различных марках бензина.
Специалист по паровым турбинам. Преимущества
двигателей внутреннего сгорания – их маленькие
размеры, недостаток – превращение возвратно
поступательного движения поршня во
вращательное. Роторные двигатели лишены этого
недостатка.
Внутренняя энергия топлива превращается здесь в
потенциальную энергию пара, в кинетическую
энергию вытекающей из сопла струи, превращается
в энергию ротора турбины, который вращает вал
генератора, энергия отработанного пара
передается воде, используемой в быту и в народном
хозяйстве.
Котельная № 2 (материал
экскурсии).
12 котлов, 50 т. пара в час;
Высота котла – 22 м, топливо – нефть;
Высота факела 12 м, to пламени 1200о, to воды
в турбинах 1500о, давление пара в турбинах 14
ат. Воду разбавляют до 95о и подают в город. Так
как топливо дороже угля, то 1 тонна пара стоит
больше чем на ТЭЦ.
Корреспондент задает вопрос: "Сейчас много спорят о том, нужна ли Сосновоборская ТЭЦ? Какое Ваше мнение?"
Ведущий рассказывает о том, что реактор, который снабжает город теплом и электроэнергией, работает более 25 лет.
– Мощность котельной №2 очень мала, её
мало даже для старой части города. Реактор часто
останавливается на профилактические работы,
городу надо тепло.
Сосновоборская ТЭЦ будет работать на угле. Чтобы
меньше было выбросов, уголь надо обогащать (кокс),
использовать современные технологии при
сжигании топлива, использовать современные
методы очистки. Стоимость ТЭЦ гораздо дешевле
стоимости ядерного реактора, построить её можно
быстрее. Городу нужно тепло. Мы за строительство
ТЭЦ.
Топливные элементы
Мы говорили о том, как можно улучшить
работу тепловых двигателей, чтобы они меньше
влияли на окружающую среду, улучшали
конструкцию, правильно сжигали топливо, улучшали
само топливо, вводя различные добавки.
А если поменять топливо, взять экологически
чистое топливо – водород, продукт сгорания Н2О
– 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Но… нет дешевых источников для получения
чистого водорода, да и хранить его не безопасно.
Сейчас водород получают из воды за счет
электроэнергии, это экономически не выгодно.
Обратное водоснабжение
В нашем городе есть вторичное
использование воды, т.н. обратное водоснабжение
(автохозяйство ГХК). Оно заключается в следующем:
загрязненная вода после мытья автомашин идет на
очистные сооружения, которые состоят из трех
отсеков.
В первом из них оседают крупные частицы, часть
нефтепродуктов. Во втором установлены фильтры –
здесь вода очищается от более мелких частиц и, в
третьем отсеке происходит окончательное
отстаивание воды.
Часть очищенной воды используется для мытья
нижней части машин и автобусов, а излишки
очищенной воды выливаются на ландшафт.
Реактивные двигатели
История ракет имеет тысячелетнюю
древность. Первые ракеты своеобразные игрушки,
потом появились ракеты, которые кроме
движущегося рабочего заряда пороха несли
сигнальный состав, следующий шаг – превращение
ракеты в боевой снаряд, вместо сигнального
состава- боевая головка. К.Э. Циолковский
изобретает ракеты на жидком топливе. Возможности
ракет неизмерно выросли.
Основные части ракеты – баки для топлива и
двигатель. Назначение всякой ракеты – доставка
какого либо полезного груза в определенное
место. Никакой другой вид транспорта не может
сравниться с ракетным по скорости, дальности и
высоте полета.
Немного о С.П.Королеве, о его приезде в наш город,
о спутниках – анкетах, о системе “Орбита” и т.д. (Демонстрируются
слайды, рассказ).
Врач СЭС. Наша организация
(СЭС) следит за состоянием биосферы в городе. СЭС
была создана для контроля за производством ГХК,
но со временем наши обязанности расширились. Мы
следим за радиоактивным фоном города, за
содержанием вредных в-в в воздухе, контролируем
воду в Енисее. Существуют предельно допустимые
нормы (ПДК) по которым мы определяем уровень
загрязнения . Превышения бывают очень редко
(угарный газ, пыль). Мы определяем наличие
следующих веществ – угарный газ, оксид углерода
ІV, оксиды серы, оксиды азота, пыль и т.д.
Заборы воздуха ведутся в трех точках, на
“Кольце”, напротив магазина “Аквариум”, около
47 ГПТУ с помощью воздуходувки. Контроль ведем с
помощью приборов “Атмосфера-2”, “УГ-2”,
(Универсальный газоанализатор). Последствия
загрязнения воздуха очень тяжелые, так, при
горении свалки выделяется диоксид и бенспирин,
которые разрушают печень и почки, затрудняют
кровообращение и, самое страшное, они
обнаруживаются в грудном молоке.
Сероводород останавливает дыхание и парализует
нервную систему, а оксиды азота вызывают отек
легких.
Ответы специалистов на вопросы
прессы.
Учителя химии и физики обобщают материалы
конференции и дают оценку участникам.
Литература:
- Билимович Б.Ф. Тепловые явления в технике. М. “Просвещение”. 1981.
- Воротников А.А. Физика и химия. Минск. ТОО “Харвест”. 1995.
- Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики. М. “Высшая школа”. 1984.
- Егоров А.С. Химия. Ростов на Дону. “Феникс”. 2001.
- Кошманов В.В. Карно, Клапейрон, Клаузиус. “Просвещение”. 1985.
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика – 10. М. “Просвещение” 2001.
- Нифантьев Э.Е., Цветков Л.А. Химия 10 – 11. Красноярск. “Офсет”. 1993.
- Химическая энциклопедия, 1992.