Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

3. Исследование влияния качества энергоносителей на эффективность

их использования

4. Оптимизация системы энергоснабжения предприятия.

Источниками исходной информации при проведении углубленного

энергетического анализа являются:

1. Схемы электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения и других

видов энергоснабжения.

2. Отчетная документация по коммерческому и техническому учету

топливно-энергетических ресурсов и электроэнергии.

3. Суточные, недельные и месячные графики потребления энергии.

4. Данные о выпуске продукции (ассортименте, количестве,

себестоимости, отпускным ценам).

5. Энергетические паспорта, проектная и эксплуатационная

документация по объектам энергопотребления.

6. Существующий план и отчетные документы по проведению

мероприятий по энергосбережению.

7. Систему метрологического контроля качества и потребления всех

видов энергии.

8. Беседы и анкетирование руководства и технического персонала

предприятия.

Информация по п.п. 2, 3, 4, 6 должны быть не менее чем за два

последних года.

В случае отсутствия достоверной информации проводится

инструментальный энергоаудит.

3.4.2. Инструментальный энергоаудит.

Инструментальный энергоаудит представляет собой целенаправленную

систему контрольных измерений в энергетической системе предприятия.

Энергетическая система представляет собой комплекс взаимодействующих

- в случае проведения энергоаудита в комплексе с технологическими и другими

обследованиями желательно установить влияние и на качество продукции

1 3

2 3

средств по получению, преобразованию, аккумулированию,

транспортировке, утилизации и вторичном использовании потерь энергии, и

использованию различных видов энергии и топливно-энергетических

ресурсов для производства полезной теплоты и полезной работы. Для

обеспечения качественного анализа энергетической системы ее технические

средства делятся на следующие группы:

 сооружения и установки, обеспечивающие прием, преобразование

(трансформацию), аккумулирование энергии или топливно-

энергетических ресурсов;

 транспортные сети (линии электропередачи, теплосети, пневмосети,

водопроводные сети, газопроводные сети и т.п.) и оборудование,

обеспечивающее транспортировку (трансформаторные подстанции,

топливные и иные насосы, коммутирующие устройства, газо-

водопроводная арматура);

 утилизационные установки (улавливатели, сепараторы, центрифуги,

другие фильтры, концентраторы и т.п.) и установки по вторичному

использованию энергоресурсов (тепловые насосы, установки по

производству биотоплива).

Кроме того, инструментальный энергоаудит проводится для различных

технологических процессов. Это обусловлено спецификой измерений и

приборной базы. Не смотря на многообразие производственных технологий,

все энергетические процессы можно классифицировать на силовые,

тепловые, электрохимические, электрофизические, осветительные.

К силовым процессам относятся процессы, которые преобразуют

энергию в полезную механическую работу. Такое преобразование может

быть выполнено либо при помощи электродвигателей (преобразование

электромагнитной энергии в механическую работу), либо при помощи

тепловых двигателей и паросиловых установок (преобразование теплоты в

механическую работу). Последнее характерно для мобильных технических

средств (автомобили, тракторы, комбайны, др. самоходные устройства).

1 3

2 3

В тепловых процессах подведенная теплота или другой вид энергии

идет на изменение внутренней энергии тела. Тепловые процессы принято

разделять на высокотемпературные (Т ≥ 773К), среднетемпературные (423К

≤ Т ≤ 773К), низкотемпературные (223К ≤ Т ≤ 423К), криогенные (Т ≤ 223К).

Электрохимические процессы используют электроэнергию для

разделения вещества. Это процессы электролиза, гальваники,

электрохимического аккумулирования.

Электрофизические процессы преобразуют электромагнитную,

магнитную или электрическую энергию в энергию молекул и атомов. К ним

относятся электросварка, индукционный нагрев, нагрев токами высокой

частоты и сверхвысокой частоты, активирование жидкостей, получение

озона и т.п.

В осветительных процессах электроэнергия используется для

возбуждения фотонов. В этих процессах используются лампы накаливания

(тепловое возбуждение фотонов), газоразрядные лампы (механическое

возбуждение фотонов люминофора ионами инертных газов или металлов),

светодиоды (выделение энергии в виде фотонов при возбуждении электронов

полупроводника).

При инструментальном энергоаудите составляются схемы

контролируемых технологических процессов, на которых наносятся точки

измерения контролируемых величин. Техническая часть инструментального

энергоаудита будет описана ниже при изучении измерительных приборов.

Глава 4. Энергетический баланс

предприятий

4.1. Материальный баланс

1 3

2 3

предприятия

Энергетический анализ предприятия проводится для анализа

эффективности использования энергии. Энергетическому балансу обычно

предшествует материальный баланс.

Материальный баланс основан на законе сохранения вещества. В 1748

году М.В.Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения вещества,

который звучал так: "Все перемены в Натуре случающиеся, такого суть

состояния, что сколько у одного тела отнимается, столько присовокупиться к

другому . . ."

В соответствии с законом сохранения вещества можно составить

следующий материальный баланс на реальном предприятии:

Σm

ВХ

= Σm

ИСХ

(4.1)

Здесь m

ВХ

, m

ИСХ

– масса входящего и исходящего продукта j-того

потока соответственно.

В исходящем потоке всегда присутствуют полезный продукт m

ПОЛ

отходы производства

ОТХ

. С учетом этого можно ввести коэффициент

выхода полезного продукта:





ВХ

ПОЛ

(4.2)

Или с учетом состава исходящего продукта и (4.1), получаем:









ВХ

ОТХ

ВХ

ОТХ

ВХ

ПОЛ

)m(m

(4.3)

- приводится по учебнику С.Э.Фриш и А.В.Тимофеевой "Курс общей физики". т.1, 1952.

- учитываются и хищения продукта

1 3

2 3

Для составления и анализа материального баланса изображаются

схемы технологических процессов, на которых указывается движение

материальных потоков.

4.2. Энергия.

Термины и определения

Энергетический баланс предприятия устанавливает соотношение

между поступлением энергии, производством полезной работы или полезной

теплоты и потерями энергии. Такое соотношение, записанное в

математическом виде, называется уравнением энергетического баланса.

Очевидно, что на основании энергетического баланса можно определить

эффективность использования энергии. Для составления уравнений

энергетического баланса, как отдельных технологических процессов, так и

всего предприятия в целом, вспомним некоторые основные определения и

понятия, связанные с энергией. Это тем более полезно, что в современной

терминологии в области энергосбережения часто используются не точные

физические определения, а их общеупотребительные аналоги. Это,

несомненно, затрудняет понимание основ энергосбережения, поэтому

следует уточнить некоторые понятия.

Основным понятием в области энергосбережения является энергия.

Энергия – способность материальных тел совершать работу. Эта

способность имеет численную меру и измеряется в Дж (джоулях).

1 Дж = 1 Н (ньютон) х 1 м.

Существует еще ряд производных единиц (кВт.час, калория, кг

условного топлива), которые связаны с основной единицей измерения

энергии точными соотношениями (приложение 2).

Одним из основных законов физики является закон сохранения

энергии, который устанавливает, что в открытой энергетической системе

1 3

2 3

сумма входящих потоков энергии равна сумме выходящих потоков энергии.

Математически это записывается следующим образом:

 



(4.4)

где W

– i-тый поток входящей энергии, Дж;

– j-тый поток выходящей энергии, Дж.

Более популярна следующая редакция закона сохранения энергии.

Энергия не исчезает и не появляется, а преобразуется из одного вида в

другой при производстве работы. Такая трактовка закона сохранения энергии

вынуждает усомниться в корректности термина "Потери энергии".

Действительно, если энергия не исчезает, то ее нельзя и потерять. Под

потерями энергии следует понимать преобразование энергии при

производстве ненужной (не заказанной) работы.

Осмысления требует и термин "Потребление энергии". Потребление

чего-либо подразумевает уничтожение, поэтому применение этого термина к

энергии так же не совсем корректно и требует пояснений. Под потреблением

энергии следует понимать ее преобразование в другой вид при производстве

работы. Например, затратив кинетическую энергию какого-либо

движущегося тела, мы можем сжать пружину, то есть произвести работу по

ее сжатию. Кинетическая энергия движущегося тела (вся или ее часть) при

производстве этой работы преобразуется в потенциальную энергию сжатой

пружины.

Отметим, что не всегда работа полезна, то есть желаема. Более того,

невозможно преобразовать только такую часть энергии, которая необходима

для выполнения полезной работы. Всегда полезную работу сопровождает

побочная (не полезная) работа. Так при производстве работы по сжатию

пружины часть кинетической энергии тела, сжимаемого пружину,

1 3

2 3

преобразуется в производство тепла, то есть, преобразуется в тепловую

энергию атомов и молекул материала пружины.

Теперь можно уточнить понятие коэффициента полезного действия

при производстве работы.

Коэффициент полезного действия показывает долю полезной работы

во всей произведенной работе при преобразовании энергии:

ПОБПОЛ

ПОЛПОЛ

АА







(4.5)

где А

ПОЛ

– полезная работа, Дж;

– вся произведенная работа, Дж;

ПОБ

– побочно произведенная работа, Дж.

Учитывая, что любая произведенная работа по определению численно

равна преобразованной при ее производстве энергии, можно записать:

ПОБПОЛ

ПОЛПОЛ







(4.6)

Здесь W

ПОЛ

– энергия, затраченная на производство полезной работы,

Дж;

ПОБ

– энергия, затраченная на производство побочной работы,

Дж;

– вся энергия, преобразованная в полезную и побочную

работу, Дж.

В формуле (4.6) вместо "потерь энергии" применяется "побочно

преобразованная энергия", то есть, та часть энергии, которая преобразуется в

другой вид энергии при производстве побочной работы. Такая формулировка

к.п.д. соответствует физическим понятиям энергии.

1 3

2 3

Отметим, что в процессе производства полезной работы, побочная

работа не всегда имеет тот же вид, а энергия, преобразуемая при

производстве побочной работы, не всегда преобразуется в тот же вид, что и

при производстве полезной работы.

Еще одним термином, требующим уточнения, является "Источник

энергии". Действительно, так как по закону сохранения энергии она не

появляется, то, строго говоря, не может быть и источника (то есть,

производителя) энергии. Под источником энергии следует понимать

материальный объект, обладающий способностью производить какую-либо

работу. Например, ископаемое топливо при горении может выделять тепло,

то есть, преобразовывать энергию химических соединений в тепловую

энергию. Заметим здесь, что при производстве работы можно полностью

уничтожить (потребить, потерять) материальный объект

, но нельзя даже

частично уничтожить энергию – можно только лишь преобразовать ее из

одного вида в другой. Неточности термина устраняются, если указывается

вид энергии, например, генератор – источник электрической энергии.

Таким образом, вид энергии является важным понятием и следует

вспомнить природу ее основных (известных) видов.

1. Тепловая энергия (теплота) – энергия, выделяемая при горении

(окислении вещества), при нагреве (увеличении амплитуды и

частоты колебания молекул и атомов), в процессе химических

реакций (изменении орбитальных характеристик валентных

электронов).

2. Механическая энергия – энергия, связанная с перемещением тел.

Механическая энергия может быть кинетической (принадлежащей

уже перемещаемым материальным объектам) или потенциальной

(могущей перемещать материальные объекты).

3. Электрическая энергия – энергия, обусловленная

взаимодействием заряженных частиц. Электрическая энергия может

- объект, а не массу

1 3

2 3

быть электростатической, обусловленной взаимодействием

неподвижных заряженных частиц, и электромагнитной,

обусловленной движением заряженных частиц. Иногда выделяют

магнитную энергию, обусловленную взаимодействием магнитных

доменов, представляющих собой микроконтуры тока, по которым

движутся электроны атома. По аналогии с механической энергией,

электростатическую энергию можно считать потенциальной, а

электромагнитную кинетической.

4. Ядерная энергия – энергия взаимодействия компонентов атома.

5. Мускульная энергия – энергия взаимодействия белковых молекул.

Отметим, что энергия может преобразовываться из вида в вид и без

участия человека, производя при этом не заказанную работу. Иногда удается

использовать такие (естественные) преобразования энергии, что весьма

эффективно для человечества, так как не требуется создания

соответствующих преобразователей. Например, энергия солнечного

излучения преобразуется в процессе фотосинтеза в растениях в энергию

углеводородных связей, которая впоследствии может быть использована для

получения тепла.

Отметим, что энергию можно перемещать в пространстве. Строго

говоря, этот процесс связан с перемещением носителей энергии (источников

энергии, то есть, материальных объектов, способных производить работу).

Но с перемещением носителей энергии меняется место в пространстве, где

можно использовать их способность производить работу. Перемещение

энергоносителей называют транспортированием энергии.

Иногда можно направлять потоки энергии, например, при помощи

проводников тока можно задавать направление и путь передачи

электроэнергии. Такое явление еще больше соответствует термину

"Транспортирование энергии".

Еще одним свойством энергии является сохранение в течение

достаточно длительного времени способности производить работу без

1 3

2 3

производства самой работы. Часто энергию специально преобразуют в вид,

удобный для длительного сохранения этого свойства без производства

работы. Такое преобразование называется аккумулированием энергии, а

устройства, позволяющие длительно сохранять такое состояние называются

аккумуляторами энергии. Естественно, аккумулирование применяется для

обязательного последующего производства работы с преобразованием

энергии в вид, предшествующий аккумулированию. Например, при сжатии

пружины кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию

сжатой пружины, и этот вид может сохраняться длительное время.

Впоследствии пружину можно освободить, при распрямлении она

произведет какую-то работу, преобразуясь в кинетическую энергию

движущихся масс. Другой пример, электромагнитную энергию можно

использовать для зарядки электрохимического аккумулятора, преобразовав

ее в электростатическую энергию заряженных пластин. В таком виде энергия

может оставаться (храниться) длительное время. При последующем

производстве работы (замыкании аккумулятора на внешнюю электрическую

цепь) электростатическая энергия преобразуется в электромагнитную

энергию перемещаемых заряженных частиц.

На основании приведенных примеров отметим некоторые основные

свойства аккумуляторов энергии.

1. Зарядка аккумуляторов производится путем преобразования энергии

кинетического вида в потенциальный вид, в котором она и

храниться.

2. При разрядке аккумулятора потенциальная энергия превращается в

кинетическую энергию предшествующего вида.

3. В соответствии с основным свойством энергии, любые ее

преобразования происходят с производством побочной работы,

поэтому аккумулировать и освобождать энергию можно только с

к.п.д. меньше единицы. То есть, неизбежны потери (не полезное

1 3

2 3