Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

150

Рис. 7.1. Сравнение электронагрева и топливных процессов

В результате показатель первичной энергии, необходимой для полу-

чения 1 кВт·ч электроэнергии, различается в разных странах. Для грубой

оценки энергетических характеристик электротехнических решений, про-

тивопоставляемых использованию топлива, сопоставляют потребление

первичной энергии, обеспечивающей одинаковое количество выпускаемой

продукции. Эффективность производства энергии обычно принимают рав-

ной 38 % (полный коэффициент полезного действия тепловой электро-

станции), откуда следует эквивалентность [11]:

1 кВт·ч (электроэнергии конечного пользователя) может быть получен из

2,5 Tч = 10,5 MДж (первичной энергии).

Следовательно, выгодность электротермических процессов по срав-

нению с классическими зависит от КПД, который при электронагреве во

многих случаях очень высок.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

151

На основе приведенной эквивалентности может быть выполнено

сравнение двух процессов (1 и 2 на рис. 7.2), в которых используются C

, Tч, топлива и E

и E

, кВт·ч, электроэнергии, с помощью так называе-

мого «коэффициента замены»:

(7.1)

−

Во втором процессе γ Tч топлива заменяется 1 кВт·ч электроэнергии.

Если γ > 2,5, то процесс 2 энергетически более выгоден, и выгода тем

больше, чем выше величина γ.

Анализ большого числа процессов, в которых электроэнергия может

заменять «классический» нагрев топливом, показал, что величина γ может

принимать значения от 1,3 до 100, однако наиболее часто она изменяется в

пределах от 3 до 7.

Рис. 7.2. Сравнение процессов с различными источниками энергии

Альтернативным важным параметром для сравнения эффективности

электроэнергетических процессов с топливными является так называемый

«коэффициент первичной энергии» (PER). Это отношение расхода первич-

ной энергии при выполнении процесса с использованием ископаемого то-

плива W, в МДж

, к расходу первичной энергии при выполнении того же

терм

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

152

процесса с использованием частично или полностью электроэнергии

Е, кВт·ч

электр

, с учетом КПД электростанции и линии передачи энергии η:

(7.2)

ηE

PER

3,6

Для процессов, имеющих PER > 1, расход первичной энергии ниже

при использовании электроэнергии. Процессы с PER < 1 более эффектив-

ны при использовании ископаемого топлива.

Хотя этот метод анализа представляется привлекательным, но он не

может быть реально применен для выбора вида энергии, так как не прини-

мает во внимание относительный дефицит каждого вида пригодной для

использования энергии. Следовательно, необходимо учесть относительные

цены (экономическое выражение относительного дефицита) для того, что-

бы произвести экономически обоснованный выбор.

б) Эффективность промышленного преобразования энергии

Следует подчеркнуть, что экономии первичной энергии при исполь-

зовании электротермических процессов не всегда соответствует экономия

денежных средств. Для того чтобы оценить, выгоден ли процесс для ко-

нечного пользователя, достаточно сравнить коэффициент γ с коэффициен-

том β, определяемым следующим образом:

(7.3)

,β

где K

– стоимость электроэнергии, руб./(кВт·ч), и K

E C

– стоимость топлива,

руб./Тч, необходимых для выпуска единицы продукции. Если γ > β, то при

замене процесса 2 на процесс 1 будет экономия в стоимости энергии для

конечного пользователя.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

153

Экономическая эффективность: многогранная проблема

Описанный энергетический подход является очень приближенным и

не всегда оправдывает выбор в пользу электроэнергии: это наиболее доро-

гая энергия и улучшенный энергетический КПД электротехнологических

процессов не всегда достаточен в противопоставлении повышенным из-

держкам. Часто рациональность выбора электротехнологии определяется

другими факторами.

Инвестиции в электротехнологии нередко ведут к пересмотру объе-

мов, а в некоторых случаях и организации производства. Их последствия

для производства могут быть многочисленными, прямыми и косвенными,

и часто необходима совершенная система стоимостной отчетности для

правильной их оценки. Необходимо составить балансовую ведомость,

включающую издержки и сбережения, обусловленные различными факто-

рами. Диаграмма на рис. 7.3 показывает различные статьи, которые долж-

ны войти в такую балансовую ведомость.

Мы не можем дать здесь детальный анализ отдельных статей, но хо-

тим показать, что балансовая ведомость должна быть настолько полной,

насколько возможно для обоснованного анализа. Однако некоторые заме-

чания по поводу последствий перехода на электротехнологию могут быть

полезными:

• оплата энергии в среднем составляет в общем балансе только 20 –

30 % (иногда намного меньше); это подтверждает, что не следует ограни-

чиваться только анализом затрат энергии;

• производительность является одной из наиболее важных статей;

она может быть увеличена благодаря легкости автоматизации и управле-

ния электротермическими процессами, а также уменьшению потерь мате-

риала в отходы;

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

154

• стоимость труда, обслуживания и ликвидации аварий может быть

значительно снижена;

• в некоторых процессах могут быть исключены издержки на подго-

товку и завершение производства;

• могут быть улучшены условия безопасности и сохранения здоро-

вья;

• загрязнение окружающей среды при электротермических процес-

сах в целом значительно снижается;

• переход к использованию электроэнергии иногда имеет неожидан-

ные последствия; например, уменьшение опасности пожара благодаря ис-

ключению использования пламени в цехе может позволить пересмотреть

тариф страхования, обеспечив значительную экономию;

• наконец, качество продукции обычно значительно улучшается.

Все это полезно учитывать при рассмотрении вопросов качества и воз-

можности расширения рынка сбыта. Улучшение качества изделий может

привести к увеличению их доли на рынке и повышению продажной цены.

Рис. 7.3. Балансовая ведомость

В заключение при оценке нового процесса должны быть приняты во

внимание все различные факторы. Решение часто оказывается в пользу

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

155

электротехнологии по соображениям сбережения энергии, снижения стои-

мости продукции.

Эти преимущества в значительной мере оправдывают непрерывно

расширяющееся применение электротехнологий в промышленности.

7.2. Основы применения электротермических процессов

Данный раздел содержит общий взгляд на многие виды электротер-

мических процессов и их многочисленные достоинства. Их физические ос-

новы и различные области применения будут классифицированы и деталь-

но рассмотрены как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Основные положения

Термические процессы являются необходимой частью многих про-

мышленных технологий при производстве и обработке различных изделий.

Вследствие уменьшения мировых запасов энергоносителей современный

подход к использованию энергии означает ответственную эксплуатацию

еще доступных ресурсов. В связи с этим непрерывно возрастающие требо-

вания к энергосберегающим процессам нагрева должны быть реализованы

в промышленности прежде всего путем внедрения эффективных техноло-

гических процессов. В то же время эти технологии должны удовлетворять

ряду экономических критериев, например высокой производительности

при низкой стоимости производства.

Для выработки теплоты может быть использована либо электриче-

ская энергия, либо химическая энергия сжигаемого топлива. Решение за

или против конкретного источника энергии основывается преимуществен-

но на экономических критериях. Однако для термических процессов все

шире используется электрическая энергия вследствие непрерывного уже-

сточения требований к эффективности и экологической чистоте промыш-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

156

ленных процессов, к качеству продукции и, не в последнюю очередь, к

улучшению общего энергетического баланса производства.

Электроэнергия может быть использована значительно более эффек-

тивно и значительно более целенаправленно, чем энергия сжигаемого топ-

лива. Электрические нагревательные системы характеризуются высокой

технической эффективностью, и, несмотря на более высокую стоимость

энергии по сравнению с энергией других источников, они более экономич-

ны вследствие более низких эксплуатационных расходов. Электротерми-

ческие установки очень гибки в работе и предоставляют исключительные

возможности для автоматизации, особенно при использовании микропро-

цессоров.

Применение электронагрева для термообработки обеспечивает хо-

рошую повторяемость процесса. Это значит, что могут быть получены за-

данные свойства материала, необходимые для улучшения технических ха-

рактеристик, к примеру, узлов машин. Высокая скорость электронагрева,

точное регулирование и равномерное распределение температуры обеспе-

чивают высокую эффективность термических процессов и заметную эко-

номию сырья, в частности, вследствие низких потерь на угар. Это проявля-

ется особенно ярко при индукционном и кондуктивном процессах нагрева,

при которых тепло выделяется внутри самой загрузки.

Время нагрева в электротермических установках намного короче,

чем в пламенных нагревательных установках (иногда на 90 %), поэтому

металлургические изменения поверхности загрузки, такие как окисление и

обезуглероживание, значительно снижаются, и это способствует высокому

качеству изделий. Кроме того, обеспечивается немедленная готовность к

работе, и во многих случаях отпадает необходимость иметь технологиче-

ские запасы нагретого или расплавленного материала. Электротермиче-

ские установки легко могут быть интегрированы в уже существующие

производственные линии, что позволяет значительно улучшить ход про-

цесса.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

157

В течение последних нескольких лет электронагрев внес значитель-

ный вклад также в переработку промышленных отходов, которая будет

иметь всевозрастающее значение для развитого индустриального общества

в будущем. Например, металлургическая промышленность может пере-

плавлять 100 % лома черных металлов в дуговых и индукционных печах.

Добавление других компонентов позволяет производить специальные ста-

ли или высококачественное чугунное литье любого состава.

С этой целью создан четвертый металлургический передел – обра-

ботка жидкого металла вакуумом, инертными газами и т.д. [22]. Так, и в

конвертерах, мартеновских печах сейчас можно получить высококачест-

венный металл, используя цикл его внепечной обработки.

Наряду с проблемой использования отходов повышенный интерес

вызывает воздействие производственных процессов на окружающую сре-

ду. Здесь методы электронагрева также могут превосходить пламенные.

Электротермические установки при определенных условиях выбрасывают

в окружающую среду меньше дыма, пыли и тепловых загрязнений по

сравнению с установками, работающими на сжигаемом топливе. Электро-

нагрев пригоден для нагрева и плавки любого электрически проводящего и

непроводящего материала. Хотя он применяется главным образом для на-

грева металлов, графита, расплавленного стекла, оксидов и других неме-

таллических материалов, нагреты могут быть даже ионизированные газы.

Множество технологических процессов, включая плавку, закалку, отпуск,

отжиг, гальванизацию, сварку, пайку, сушку, выращивание кристаллов,

подогрев перед прокаткой, ковкой или покрытием, производится с исполь-

зованием электронагрева.

Классификация электротермических процессов

Электротермические процессы, используемые для видоизменения

материалов или их свойств, основаны на различных физических механиз-

мах преобразования электрической энергии в тепловую. По месту преобра-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

158

зования энергии они могут быть разделены на процессы прямого и косвен-

ного нагрева.

В случае прямого нагрева происходит выделение тепловой энергии

непосредственно в самой загрузке за счет протекания электрического тока

через ее материал, поглощения ею энергии электромагнитного поля или

бомбардировки ее частицами. При косвенном нагреве электрическая энер-

гия преобразуется вне загрузки в тепловую, которая передается затем в за-

грузку за счет процессов теплопереноса, таких как конвекция, излучение

или теплопроводность.

Внутри двух названных основных групп дальнейшая подробная

классификация электротермических процессов связана с различными фи-

зическими механизмами выделения полезной тепловой энергии в обраба-

тываемом материале. Ее целесообразно изложить в рамках описания кон-

кретных применений электронагрева в промышленности.

Применение электротермических процессов

Существует широкий диапазон применения электрической энергии в

промышленных термических процессах. В зависимости от вида обрабаты-

ваемого материала и способа реализации процесса может быть выбран оп-

тимальный метод нагрева.

Прямой резистивный нагрев

При протекании электрического тока по электропроводящему мате-

риалу выделяется джоулево тепло, поскольку материал обладает электри-

ческим сопротивлением. Если это сопротивление является собственным

сопротивлением объекта нагрева, то процесс называется прямым (или кон-

дуктивным) резистивным нагревом, в противном случае он называется

косвенным резистивным нагревом.

При прямом резистивном нагреве (рис. 7.4) на переменном токе на-

блюдается неравномерное распределение плотности тока и температуры

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 7. Энергосберегающие возможности

современных электротехнологий

159

по сечению обрабатываемого изделия (шихты, загрузки) из-за действия на-

веденных токов. Так называемый скин-эффект приводит к более или менее

выраженной концентрации электрического тока у поверхности загрузки.

Для того чтобы получить равномерное температурное поле, предпочти-

тельно использовать источник низкой частоты или постоянного тока.

Рис. 7.4. Принцип прямого (кондуктивного) нагрева

Нагреваемые прямым резистивным методом тела должны быть со-

единены с электродами для обеспечения протекания электрического тока.

Электроды обычно выполняются из меди. Для того чтобы обеспечить низ-

кое электрическое сопротивление контакта и нормальную работу нагрева-

тельного устройства, необходимы большие прижимные усилия, поэтому

проблема надежного контакта электродов является основным фактором,

ограничивающим мощность установок.

Выделение тепла внутри загрузки и, как результат, быстрый нагрев

при высокой плотности энергии гарантируют высокую экономическую и

экологическую эффективность прямого резистивного нагрева. Малое обра-

зование окалины на поверхности металла и чистый нагрев в любой рабо-

чей атмосфере приводят к рациональному использованию сырья.

Процессы прямого резистивного нагрева находят широкое примене-

ние. Примерами могут служить нагрев металлических заготовок, проводов,