Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.2.8. Однокамерная (а) и двухкамерная (б) промышленные печи: ТВ – топливо и

воздух; М – материал; ЗГ – зона горения топлива; КГ – компоненты горения; ТМ –

технологический материал; УГ – уходящие газы; ГП – готовая продукция

где с – теплоемкость материала загрузки; М – масса полезной загрузки; t

и t

–

начальная и конечная температуры загрузки;

′

- теплота химической реакции;

с′ - приведенная теплоемкость загрузки.

Другая часть энергии теряется в окружающую среду:

првcс

)tt(AQ τ−α=

, (2.11)

где α - коэффициент теплоотдачи; А – поверхность печи, контактирующая с

окружающей средой; t

и t

– температуры стенки и окружающей среды; τ

пр

–

время процесса.

Тепловой коэффициент полезного действия печи

мх.с.пcт

QQQQQ

++++

=η

. (2.12)

Полезная мощность печи

)tt(Мс

−

′

, (2.13)

где τ

– время нагрева печи.

Экономия энергии в котлах и печах может быть достигнута:

• оснащением их электронными регуляторами для подачи топлива и воздуха с

оптимальным коэффициентом избытка воздуха;

КГ

ТМ

ГП

ТВ

УГ

б)

A - A

ММ

ТВ

а)

ЗГ

• использованием эффективной изоляции ограждающих поверхностей для

снижения потерь тепла в окружающую среду до минимума;

• использованием тепла высокотемпературных отходящих газов в

производственных и непроизводственных целях;

• применением конденсационных теплообменников на выходе

низкотемпературных отходящих газов.

В последнем случае утилизация тепла позволяет использовать высшую

теплоту сгорания топлива. Использование всех мер позволяет повысить КПД

котлов и печей более чем до 95%. Такие теплогенерирующие устройства будут

близки к совершенству.

Тепловая машина. В соответствии с первым законом термодинамики

теплота может быть преобразована в другие виды энергии. Наиболее широко для

этих целей используются тепловые машины (двигатели), где тепло

преобразуется в механическую работу. Примерами таких машин являются

двигатель внутреннего сгорания, паросиловые и газотурбинные установки,

реактивный двигатель. Для работы тепловой машины необходимы источник

тепла (теплоотдатчик) с температурой Т

, преобразующее устройство и

приемник тепла (холодильник) с температурой Т

(рис.2.9). Преобразующие

устройства представляют собой открытые термодинамические системы. Рабочее

вещество, получив тепло от источника, поступает в преобразователь тепловой

машины. Для выхода из преобразователя после совершения механической

работы рабочее вещество должно обладать запасом энергии. Поэтому не все

количество теплоты превращается в работу L, что следует из второго закона

термодинамики. Часть ее передается холодильнику. Приемником тепла могут

служить специальный аппарат или непосредственно окружающая среда. В

двигателях внутреннего сгорания приемником тепла является окружающая

среда, в которую поступают отработанные газы. В паросиловых установках

приемником тепла служит конденсатор.

Рис.2.9. Принцип работы идеальной тепловой машины

L=Q

-Q

-Т

Эффективность тепловых машин определяется значением КПД η,

который зависит как от совершенства термодинамического цикла, так и от

качества изготовления машины. Термический КПД цикла увеличивается с

ростом разности температур Т

-Т

. Здесь ограничением обычно является

температура источника, которая определяется свойствами конструкционных

материалов. Например, в паровых турбинах на сегодняшний день максимальная

температура пара составляет 560

С. Качество изготовления изделия влияет на

потери при прохождении рабочего вещества по тракту тепловой машины, когда

преодолевается сопротивление трения и местные сопротивления. Кроме того, на

эффективность использования энергии первичного источника тепла в тепловых

машинах влияет также трение в перемещающихся сопряженных деталях машин.

Для снижения этой отрицательной составляющей применяются смазка и

специальные устройства. Например, подшипники.

Централизованное производство электроэнергии. Электричество

является наиболее удобным видом энергии для транспортировки и потребления.

В настоящее время в Беларуси электроэнергия почти полностью производится

на основе преобразования энергии ископаемого топлива. Лишь незначительная

доля, составляющая несколько мегаватт, производится на основе

возобновляемых источников, за исключением биомассы. Электроэнергия

производится на тепловых (конденсационных) электрических станциях (ТЭС) и

теплоэлектроцентралях (ТЭЦ).

Схемы ТЭС и ТЭЦ даны на рис.2.10. В соответствии с вторым законом

термодинамики в механическую работу может быть преобразовано до 45-46%

теплоты, так как часть ее необходимо отдавать холодильнику, которым служит

окружающая среда. Поэтому при производстве на ТЭС только электроэнергии

КПД использования первичного топлива не превышает 45%. Оставшаяся часть

энергии не используется, отводится от конденсатора и передается окружающей

среде с помощью системы охлаждения водой (47%), дымовыми газами (5,5%),

через ограждающие стенки котлов и трубопроводы (2,5%). Такая схема

позволяет достичь максимума выработки электроэнергии за счет приближения

температуры рабочего вещества в холодильнике (конденсаторе) к температуре

окружающей среды.

Если повысить температуру рабочего вещества в охладителе выше 100

С,

то охлаждающая вода будет иметь температуру, которая позволит использовать

отработанное тепло в тепловой машине для нужд теплоснабжения. При этом

КПД использования энергии первичного топлива может достигать 92% в ТЭЦ с

противодавленческими турбинами (рис.2.10б). Из них 36% будет приходиться на

электроэнергию, а 56% - на тепло. Причем это соотношение в данных ТЭЦ

Рис.2.10. Принципиальные схемы ТЭС (а), ТЭЦ с противодавленческой турбиной (б) и

ТЭЦ с экстракционной турбиной (в)

а)

б)

в)

Градирня

остается постоянным, что является не всегда оптимальным, так как потребности

в электричестве и тепле изменяются в течение суток, недель и сезонов.

Недостаток ТЭЦ с противодавленческими турбинами может быть

преодолен на экстракционных ТЭЦ с турбинами, оснащенными устройствами

отбора пара (рис.2.10в). На экстракционных ТЭЦ отпуск тепла потребителям

может изменяться в широких пределах - от прекращения отпуска тепла до

максимального значения, соответствующего ТЭЦ с противодавленческой

турбиной. Таким образом, экстракционная ТЭЦ занимает промежуточное

положение, что позволяет гибко удовлетворять нужды потребителей в

соответствии с графиками тепловой и электрических нагрузок и в то же время

добиваться энергосберегающего эффекта за счет более эффективного

использования энергии первичного топлива. Комбинированная выработка

электрической энергии и теплоты имеет явные преимущества, что

подтверждается многочисленными накопленными данными [13].

Схема получения теплоты и электроэнергии на атомных электрических

станциях (АЭС) и теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) отличается лишь способом

генерирования теплоты, которая высвобождается в ядерном реакторе, а затем

передается рабочему веществу паротурбинной установки. В зависимости от

теплоносителя, используемого в реакторе, конструкции ядерных

энергоустановок могут быть одно-, двух- или трехконтурными. Одноконтурные

применяются в газовых и водяных реакторах, двухконтурные - в водо-водяных

реакторах, а трехконтурные - с жидкометаллическим теплоносителем. Пример

двухконтурной схемы АЭС дан на рис.2.11. Дополнительные контуры ядерных

энергетических установок требуются для предотвращения выноса

радионуклидов в последний контур с теплосиловым оборудованием. Они

обеспечивают безопасную работу АЭС.

Рис.2.11. Принципиальная схема двухконтурной АЭС: 1 – реактор; 2 – парогенератор;

3 - турбогенератор; 4 – конденсатор; 5 – циркуляционный насос второго контура; 6 -

циркуляционный насос первого контура

Децентрализованное (автономное) энергоснабжение. Считается, что в

определенных случаях автономное энергоснабжение с использованием

мини-котельных и малых ТЭЦ является более эффективным, чем

централизованное. При таком подходе в качестве топлива наряду с ископаемым

могут использоваться горючие отходы промышленности и сельского хозяйства:

древесные отходы, старые покрышки, солома, лигнин и другие. В настоящее

время как в Беларуси, так и за рубежом производится большой спектр

оборудования для автономного энергоснабжения, которое монтируется в

непосредственной близости от потребителей. Беларусь выпускает котлы и

котельные установки различных модификаций. Это позволяет снизить потери

тепла при транспортировке и вовлечь в оборот топливо с небольшой теплотой

сгорания (до 10 МДж/кг), с повышенной влажностью и зольностью. КПД брутто

таких энергоустановок несколько ниже, чем крупномасштабных. Он равен

порядка 85%. Одна из паротурбинных мини-ТЭЦ построена и работает на

Слонимском бумажно-картонном заводе.

Для примера на рис.2.12 показана схема малой парогазовой ТЭЦ,

работающей на природном газе. С учетом утилизации тепла ее общий КПД

достигает 85%. Аналогичная парогазовая энергоустановка построена и

эксплуатируется на Оршанской ТЭЦ. Особенностью рассматриваемой схемы

ТЭЦ является наличие теплового аккумулятора. Это весьма важно, так как на

Рис.2.12. Схема парогазовой малой ТЭЦ с утилизатором и аккумулятором теплоты

экономичность ТЭС и ТЭЦ значительное влияние могут оказывать графики

нагрузок в зависимости от потребления энергии. В случае производства

избыточного количества электрическая энергия поступает в общую

энергосистему и перераспределяется между потребителями, у которых

ощущается ее недостаток. В отличие от электрических, тепловые сети

охватывают небольшие регионы, и степени свободы регулирования отпуска

тепла у них ограничены. Здесь важным фактором является аккумулирование

теплоты при ее избыточном производстве во время снижения тепловой нагрузки.

Например, в ночное время, что позволяет снизить потребность в пиковых

котельных. Пример типичной тепловой нагрузки показан на рис.2.13.

Рис.2.13. Суточная тепловая нагрузка предприятий

Рассмотрены основные принципы эффективного использования

первичной энергии топлива. К ним относятся:

• использование высшей теплоты сгорания топлива;

• оптимизация коэффициента избытка воздуха;

• предварительный подогрев воздуха в промышленных печах и котлах и

питательной воды в котлах;

• утепление и герметизация ограждающих конструкций печей и котлов;

• комбинированная выработка теплоты и электрической энергии;

• использование автономных котельных, малых и мини-ТЭЦ и местных

топлив.

В качестве альтернативного варианта энергообеспечения республики

может рассматриваться атомная энергетика.

Контрольные вопросы

1. Какими компонентами определяется состав топлива? Какие из них являются

горючими?

2. Какими видами местного топлива располагает Беларусь?

3. Что такое теплота сгорания? Как выбор теплоты сгорания влияет на эффективность

использования топлива?

4. Что такое условное топливо? Угольный и нефтяной эквивалент топлива.

, ч

Q, ГДж/ч

0 6 12 18 24

Зима

Лето

5. В чем особенность сжигания топлива? Каким параметром характеризуется

эффективность процесса сжигания топлива?

6. Как называются устройства для сжигания топлива и как они классифицируются?

7. Какова особенность сжигания топлива в слоевых топках?

8. Какова особенность сжигания топлива в факельных топках? Какие виды топлива в

них можно сжигать?

9. Какими количественными параметрами характеризуются топки? Как их рассчитать?

Тепловой баланс топки.

10. Принадлежностью каких агрегатов, установок и устройств являются топки?

11. Чем отличаются котельные установки от промышленных печей?

12. За счет чего можно добиться в котельных установках и печах более эффективного

использования первичной энергии топлива?

13. Чем отличаются ТЭЦ и ТЭС? Какие энергетические установки Вы еще знаете?

14. Как повысить эффективность использования первичной энергии топлива при

выработке электрической энергии?

3. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ЭНЕРГИИ

В большинстве случаев источники первичных энергоресурсов,

энергоносители, вырабатываемые в энергоустановках и системах

преобразования энергии, не совмещены с потребителем, поэтому требуется их

транспортировка. В настоящее время большое распространение получили

жидкие и газообразные энергоносители из-за удобства их транспорта по

трубопроводам. Твердое топливо целесообразно перевозить на большие

расстояния, если оно обладает большими значениями теплоты сгорания и

плотностью. К такому топливу относятся высококачественные каменные угли с

30Q

≥

МДж/кг. Древесину как топливо транспортировать более чем на

несколько десятков километров невыгодно. Наиболее эффективным твердым

топливом является ядерное горючее.

При транспортировке жидких и газообразных энергоносителей (нефти,

природного газа, сжатого воздуха, пара, горячей и холодной воды) энергия

затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления. Дополнительная

составляющая потерь энергии в виде теплоты присутствует при транспорте

горячих энергоносителей  воды и пара, воздуха и др. Специфическими

особенностями обладают потери при передаче электрической энергии.

Рассмотрим приближенные методы количественного анализа для оценки

возможных потерь при транспортировке энергии и пути их снижения.

3.1. Затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления

Затраты энергии для перемещения энергоносителей и холодной воды по

трубопроводам зависят от потерь давления в его элементах (рис.3.1). Потери

давления в сочетании с известными расходами потоков и характеристиками

перекачивающих устройств позволяют найти энергетические затраты на

транспорт энергоносителя.

Рис.3.1. Факторы, влияющие на потери давления при транспортировке энергоносителей

по трубопроводам: а-б – сопротивление трения при ламинарном и турбулентном

течении жидкости; в-г – местные сопротивления в коленах; д-е – местные

сопротивления при деформации потоков при расширении и сужении; ж-и – местные

сопротивления при слиянии и разделении потоков; к – потери на преодоление силы

тяжести

В общем случае потери давления (напора) при транспортировке

энергоносителя включают три составляющие:

∆∆ ∆ ∆

PP P P

TMh

=++

, (3.1)

где ∆Р

, ∆Р

- потери давления соответственно за счет сопротивления

трения, местных сопротивлений (сужений, расширений, поворотов) и перепада

высот.

Потери давления на участке реального теплопровода вычисляются на

основании результатов испытаний [1,14], которые учитывают шероховатость

испытанного участка и местные сопротивления. Для предварительного анализа

потери напора можно приближенно рассчитать на основании теоретических

зависимостей и стандартных опытных данных.

Потери давления за счет сопротивления трения в трубах

λ=∆

, (3.2)

еж зи

где λ - коэффициент сопротивления трения; L - длина участка теплопровода, м;

– внутренний диаметр теплопровода, м; ρ - средняя плотность

энергоносителя, кг/м

; w - средняя скорость энергоносителя, м/с.

Перепад давления в местном сопротивлении

мM

λ=∆

, (3.3)

где λ

- коэффициент местного сопротивления для типичных геометрий,

определяется на основании эмпирических справочных данных [15, 16].

Потери давления за счет перепада высот

()

∆

Pghh

=−ρ

, (3.4)

где g – ускорение свободного падения, м/с

; h

- нулевой уровень, м.

Энергоноситель может перемещаться по трубам при различных режимах

течения в зависимости от числа Рейнольдса для потока Re=wD

/ν. Различают три

режима гидродинамического течения: ламинарный (Re<2200), переходный

(2200≤Re≤4000) и турбулентный (Re>4000). Коэффициент сопротивления трения

для гидродинамически гладких труб [15]:

5,04

)64,1Reln78,0(

Re103,6

Re/64

−

−=λ

⋅≈λ

=λ

.4000Reпри

;4000Re2200при

;2200Reпри

≥

≤≤

(3.5)

В реальных теплопроводах дополнительно учитывается шероховатость

труб на основании формулы Альтшуля. Тогда

25,0

DRe

11,0













∆

+=λ

, (3.6)

где ∆ - эквивалентная абсолютная шероховатость, мм.

Для новых и чистых стальных сварных труб ∆=0,05 мм, после нескольких

лет эксплуатации - 0,2 мм, для сильно заржавевших или с большими

отложениями - 3,0 мм.

На основании вычисленных интегральных потерь давления определяются

затраты энергии, потребляемой приводом насоса, на прокачку энергоносителя:

∆

ρη

(3.7)

где η

- КПД привода; ρ - плотность энергоносителя; G - массовый расход

энергоносителя.

Распределение расхода энергоносителя по участкам разветвленной сети

рассчитывается методом итераций на основании законов Кирхгофа. При этом

совместно рассчитываются потери давления на каждом участке.

Пример 3.1. Вентилятор имеет ременную передачу. КПД передачи после

длительной эксплуатации снизился до 50%. После регулировки натяжения ремня при