Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

прочих равных условиях КПД передачи повысился до 85%. Во сколько раз изменится

потребление энергии вентилятором после регулировки?

Решение. Для решения задачи воспользуемся формулой (3.7). Изменение

потребления энергии вентилятором будет равно

59,085/50/N/N

2112

==ηη=

Таким образом, потребление энергии вентилятором после регулировки

натяжения ремня уменьшится на 59%.

Уменьшение затрат энергии на транспортировку энергоносителя может

быть достигнуто:

• экономически оправданным увеличением диаметра трубопроводов;

• использованием плавных переходов в устройствах, являющихся источником

местных сопротивлений;

• устранением течей;

• применением совершенных перекачивающих устройств с высоким значением

эффективного КПД.

3.2. Потери теплоты при транспортировке теплоносителей

Передача теплоты от источника потребителям осуществляется с помощью

систем теплоснабжения, которые эксплуатируются в жилых и

административных районах городов, на промышленных объектах. Системы

теплоснабжения включают источник тепла, систему передачи (транспортировки)

тепла и потребителей. Простейшая схема такой системы дана на рис.3.2.

Источниками тепла могут быть энергетические установки: ТЭЦ, атомные

станции теплоснабжения (АСТ), котельные, мини-котельные и мини-ТЭЦ.

Потребителями тепла являются промышленные и коммунально-бытовые

предприятия, жилые, общественные и административные здания. Отпускаемое

тепло расходуется на технологические нужды, отопление, горячее

ПотребителиЭнергетическая

установка

Подающий теплопровод

Обратный теплопровод

Теплообменник

Насос

Рис.3.2. Принципиальная схема централизованного теплоснабжения и тепловой сети

водоснабжение, вентиляцию. Рассмотренная схема теплоснабжения является

замкнутой двухтрубной. Теплообменники выполняют те же функции, что и

трансформаторы при передаче электрической энергии. Реальные тепловые сети

разветвленные и могут включать несколько источников тепла - ТЭЦ или

котельные. Отдельные магистрали таких сетей связаны перемычками и имеют

закольцованные участки, что повышает надежность снабжения теплотой.

Транспортировка тепла осущест-

вляется с помощью теплопроводов. На

рис.3.3 показан элемент современного

теплопровода, изготовленного в

заводских условиях, который включает

стальную трубу для транспортировки

энергоносителя, тепловую изоляцию из

пенополиуретана с коэффициентом

теплопроводности ≈0,02÷0,027Вт/(м⋅К)

и защитный кожух из пластмассы.

Кроме того, он оснащен определителем

течи, что позволяет точно определять

место повреждения и быстро устранять

неисправности. Благодаря пластиковому защитному кожуху и жесткому

сцеплению изоляции с ним и трубой, такие теплопроводы герметичны и

выдерживают механические нагрузки со стороны грунта. Данные теплопроводы

являются перспективными [17] и прокладываются непосредственно в грунте

(рис.3.4, тип А), что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. Они

надежны и удобны в обслуживании. Для сведения тепловых потерь к минимуму

при монтаже таких теплопроводов предусмотрена технология герметизации

швов на стыках и других элементов - задвижек, переходников. В настоящее

время в Беларуси наиболее распространены теплопроводы с прокладкой в

непроходных каналах (рис.3.4, тип В) или с надземной прокладкой

(рис.3.4, тип С) [14,18,19]. Они оснащаются теплоизоляцией из минеральной

ваты. Коэффициент теплопроводности сухой минеральной ваты в два раза выше,

чем у пенополиуретана. Каждый из рассмотренных теплопроводов

характеризуется наружным диаметром каналов D

, толщиной стенки трубы

толщиной изоляции

и защитного кожуха

, расстоянием между трубами s и

глубиной прокладки h или h

′′

. Теплопроводы в каналах дополнительно включают

конструктивные размеры канала: ширину а и высоту b. Из теплопроводов

формируется тепловая сеть, связывающая источники энергии с потребителями.

Этот фактор учитывается таким параметром как протяженность теплопроводов.

Рис.3.3. Схема элемента предварительно

изолированного теплопровода

Рис.3.4. Схемы конструкций типичных теплопроводов: А - подземный теплопровод с

заводской изоляцией из пенополиуретана; В - подземный теплопровод в непроходном

канале с изоляцией из минеральной ваты; С - надземный теплопровод

При транспортировке теплоты имеются потери в окружающую среду,

величина которых зависит как от температуры теплоносителя и окружающей

среды, так и от качества тепловой изоляции теплопроводов. Основной

характеристикой теплоизоляционных материалов является коэффициент

теплопроводности λ

. Коэффициент теплопроводности зависит от применяемого

материала и его влажности. С ростом влажности материала коэффициент

теплопроводности увеличивается.

В общем случае при транспортировке потери тепла в окружающую среду

можно рассчитать по данным измерений на основе уравнения теплового баланса:

()

,rGttGcQ

к21p

+−=

(3.8)

где G - массовый расход однофазного энергоносителя (пар или жидкость), кг/с;

- теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); t

и t

- температура теплоносителя

соответственно на входе и выходе исследуемого участка сети; r - теплота

конденсации, Дж/кг; G

- расход сконденсировавшегося теплоносителя, кг/с.

Потери тепла надземным теплопроводом в окружающую среду можно

также оценить на основании уравнения теплопередачи

,tFkQ ∆=

(3.9)

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м

⋅

С); ∆t≅

()

,tt

∞

−

С; F - внутренняя

или наружная поверхность теплообмена, м

;

- средняя температура

теплоносителя на исследуемом участке теплопровода,

С; t

∞

- температура

окружающей среды,

С.

Для теплопроводов удобно отнести тепловой поток к длине. Тогда

,tkqQ ll

∆==

(3.10)

где q

- линейная плотность теплового потока, Вт/(м·

С); l - длина теплопровода;

м; k

- линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м⋅

С).

Линейный коэффициент теплопередачи через многослойную стенку

предизолированного теплопровода равен сумме термических сопротивлений

многослойной стенки, теплоотдачи со стороны теплоносителя и атмосферного

воздуха. Термическое сопротивление стенки теплопровода, включающее

сопротивление стальной трубы, теплоизоляции и кожуха, равно

КH

ИB

R lll

πλ

, (3.11)

где λ, λ

, λ

- коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции

и защитного кожуха, Вт/(м·

С); D

, D

- внутренний и наружный

диаметры стальной трубы, наружные диаметры изоляции и защитного

кожуха, м.

Линейный коэффициент теплопередачи

КВт

−

∞













πα

, (3.12)

где α

– коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя, Вт/(м

⋅К); α

∝

–

коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/(м

⋅К).

В предельном случае, упростив формулу (3.12), можно оценить

максимальное значение возможных тепловых потерь, приняв k

= R

-1

При необходимости можно осуществить переход от k

к k и расчет

проводить по уравнению (3.9). Если тепловой поток связан с наружной

поверхностью теплопровода, тогда в уравнении (3.11) выражение в скобках

умножается на периметр πD

. Если тепловой поток связан с внутренней

поверхностью - выражение в скобках умножается на периметр πD

. Для расчета

потерь тепла от подземных теплопроводов можно использовать приближенный

метод, изложенный в работах [20,21].

Пример 3.2. По чугунному теплопроводу диаметром 60х3,5 мм движется пар с

температурой t

=325

С. Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

=110 Вт/(м

⋅

К).

Окружающий наружный воздух имеет температуру t

=20

С. Найти тепловые потери,

если теплопровод изолирован слоем пеношамота толщиной 70 мм, а коэффициент

теплоотдачи со стороны воздуха равен

=15 Вт/(м

⋅

К). Коэффициент

теплопроводности чугуна равен 90 Вт/(м

⋅

К), а пеношамота — 0,29Вт/(м

⋅

К).

Решение. В соответствии с условием задачи наружный и внутренний диаметры

теплопровода и диаметр изоляции соответственно равны. D

=60 мм,

=60-2

⋅

3,5=53 мм, D

=60+2

⋅

70=200 мм.

Термическое сопротивление стенки теплопровода находим по формуле (3.11)

)градм/(Вт662,0

200

29,02

902

⋅=

⋅π

Коэффициент теплопередачи находим по формуле (3.12)

)градм/(Вт225,1

2,015

662,0

06,0110

⋅=













⋅π⋅

−

Удельные потери тепла теплопроводом

м/кВт374)20325(225,1)tt(kq

ВП

=−⋅=−=

При транспортировке теряется значительное количество теплоты. В

отдельных случаях эти потери достигают 50%. Это связано с

неудовлетворительной тепловой изоляцией и утечкой теплоносителя. Особенно

большие потери могут проявляться в технологических теплопроводах с большим

уровнем температур и образованием конденсата. При конденсации пара в

соответствии с уравнением (3.8) выделяется значительное количество тепла, а в

горизонтальных трубах также увеличиваются потери давления на прокачку

теплоносителя.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду можно

рекомендовать следующие мероприятия:

• применять теплопроводы с высокими теплоизоляционными свойствами;

• понижать уровень температур теплоносителя без ущерба для потребителя;

• при возможности заменять технологический пар горячей водой;

• своевременно с помощью конденсатоотводчиков удалять конденсат из

паропроводов;

• ликвидировать утечки теплоносителя;

• использовать гибкие системы регулирования отпуска и распределения тепла.

3.3. Передача электричества

Передачу электроэнергии можно осуществлять при напряжении,

вырабатываемом источником, согласованным с потребителем, или изменяя

напряжение в линии электропередачи (ЛЭП) с помощью трансформаторов

(рис.3.5). Рассмотрим оба случая передачи электроэнергии, полагая, что

полезная нагрузка Р, обусловленная сопротивлением потребителя R

, остается

постоянной и передается при сопротивлении цепи R=const. В основе анализа

лежат закон Ома и формула для расчета мощности участка цепи

IUR= /

, (3.13)

PIU= .

(3.14)

При принятых допущениях полезная мощность, передаваемая источником

потребителю в обеих схемах, равна

PIU

(3.15)

PIU

(3.16)

Рис.3.5. Система передачи электроэнергии без повышения напряжения (а) и с

повышением напряжения (б) в линии электропередачи

Потери энергии

PIR

. (3.17)

Относительная величина потерь

.I/IRI/RIP/P

(3.18)

а) б)

С учетом (3.15) и (3.16)

()()

P P PU PU U U

12 1

//// /.

(3.19)

Таким образом, потери при передаче электроэнергии обратно

пропорциональны квадрату напряжения.

По этой причине в линиях электропередачи используются высокие

напряжения, которые достигают 750-1000 кВ. Это позволяет без существенных

потерь передавать электроэнергию на большие расстояния по проводам

небольшого сечения, что также приводит к косвенной экономии энергии за счет

снижения материалоемкости ЛЭП.

Наличие трансформаторов в передающих и распределительных системах

переменного тока приводит к возникновению индуктивного сопротивления Х

дополнительным потерям за счет реактивной мощности Q (рис.3.6 а, г).

Паразитную реактивную мощность можно уменьшить, последовательно

включив в цепь емкостное сопротивление Х

в виде батареи конденсаторов. Это

следует из векторного характера рассматриваемых параметров (рис.3.6 в-г).

Полная мощность S зависит от коэффициента мощности (косинуса угла ϕ),

показывающего степень запаздывания тока от напряжения:

cos,

cos

==ϕ

(3.20)

Рис.3.6. Определение полной мощности и сопротивления в цепи переменного тока: а –

электрическая цепь; б – векторный характер последовательного соединения

сопротивлений; в – треугольник сопротивлений; г – треугольник мощностей

Потребителями реактивной мощности наряду с активной, кроме

трансформаторов, являются электродвигатели, сварочные аппараты,

индукционные электропечи, флюорисцентные лампы и другое

электротехническое оборудование.

-X

б)

а)

R, Ом

, Ом

в)

Р, Вт

Q, ВАР

S, ВА

г)

Составляющая реактивной мощности всегда присутствует в цепях

переменного тока, содержащих катушки или обмотки, за счет ЭДС

самоиндукции. Как и в рассмотренном случае с трансформатором, ее можно

уменьшить введением емкостного сопротивления.

Пример 3.3. Электрическая цепь переменного тока содержит последовательно

включенные активное сопротивление R=80 Ом и индуктивное сопротивление

=100 Ом. Для компенсации реактивной мощности в цепь добавлено емкостное

сопротивление X

=40 Ом. Напряжение в цепи осталось без изменения и равно

U=110 В. Определить на какую величину изменилась потребляемая мощность.

Решение. Сопротивление цепи с активным и индуктивным сопротивлением

Ом1,128XRZ

=+=

Сопротивление цепи с активным, индуктивным и емкостным сопротивлением

Ом100)XX(RZ

=−+=

Потребляемая полная мощность определяется по формуле (3.20):

)R/Z)(R/U(cos/PS

=ϕ=

Первоначальная потребляемая мощность равна 242,1 Вт, а после установки емкостного

сопротивления – 189 Вт. Таким образом, потребляемая мощность уменьшилась на

53,1 Вт.

Активная, реактивная и полная мощности связаны с соответствующими

напряжениями и током в электрической цепи:

,UIS

,IUQ

,IUP

(3.21)

где U

– активное (обычное) падение напряжения; U

– реактивное падение

напряжения; U – полное падение напряжения в цепи.

Снижение потерь в линиях электропередачи может быть достигнуто

использованием постоянного тока или сверхпроводников. В первом случае

требуются мощные преобразователи напряжения. Опытная эксплуатация таких

линий показала их высокую стоимость и нерентабельность по сравнению с

традиционными системами электроэнергии. Во втором случае эксплуатация

сверхпроводника ЛЭП требует криогенных систем, что еще выше по стоимости.

Контрольные вопросы

1. Какие технические элементы и устройства включает система передачи теплоты?

Какие типы теплопроводов и систем передачи теплоты Вы знаете?

2. Что влияет на затраты энергии при перемещении жидкого или газообразного

энергоносителя?

3. С помощью каких мероприятий можно повысить эффективность передачи теплоты

от источника к потребителю?

4. Каким параметром определяется эффективность передачи электрической энергии и

почему?

5. Что такое активная, реактивная и эффективная мощности в цепях переменного

электрического тока? Чем они определяются?

6. Как можно компенсировать реактивную мощность?

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ХОЗЯЙСТВО ПРЕДПРИЯТИЙ

Энергетическое хозяйство предприятий (ЭХП) включает два сектора:

систему энергоснабжения предприятия и потребителей энергии.

Работоспособность системы энергоснабжения обеспечивают специалисты

энергетики. Как правило, для этих целей на предприятии функционирует служба

главного энергетика. Вопросами использования энергии конечными

потребителями занимаются специалисты, участвующие в выпуске конечной

продукции или услуг, а также специалисты энергетики.

Структурная схема энергоснабжения и потребления энергии

предприятиями дана на рис.4.1. Для эффективного использования энергии

необходимо вовлекать энергетические отходы производства, что позволяет

уменьшить затраты на ее потребление. Рассмотрим общие принципы

энергоснабжения и потребления энергии.

Рис.4.1. Укрупненная схема энергоснабжения и потребления энергии предприятием

4.1. Система энергоснабжения предприятия

Система энергоснабжения служит для надежного удовлетворения

потребностей предприятия необходимыми видами энергии нужных параметров

и качества. Принципы построения системы имеют общность для любых

предприятий, которая может отличаться лишь количеством включенных

компонентов.

Необходимые виды энергии и энергоносителей могут поставляться

предприятию через централизованное энергоснабжение (рис.4.2). К ним

относятся электроэнергия, теплота и органическое топливо. Источником энергии

Централизованное

энергоснабжение

Окружающая

среда

Системы преобразования, передачи и

распределения энергии

Потребители энергии

Энергетические отходы

(вторичные энергетические ресурсы)

может также служить непосредственно окружающая среда с потоками прямой

или преобразованной энергии Солнца, а также энергия недр Земли, которые

являются возобновляемыми. Для нормального функционирования

энергетического хозяйства дополнительно используются вода и воздух из

водных и воздушных бассейнов Земли.

На следующей ступени потоки энергии и энергоносителей могут быть

преобразованы в другие виды или изменять свои параметры. Например,

химическая энергия топлива преобразуется в тепло. Электрическая энергия  в

механическую энергию, тепло, энергию сжатого воздуха. Электрическое

напряжение и температура теплоносителя могут быть также преобразованы в

соответствии с условиями эксплуатации потребляющих устройств.

Преобразование энергии осуществляется на ТЭЦ, в котельных, компрессорных

станциях, холодильных установках, тепловых пунктах, трансформаторных

подстанциях и других объектах, которые входят в энергетическое хозяйство

предприятий. Централизованные источники энергии могут быть заменены на

собственные локальные с целью более эффективного использования энергии. В

некоторых случаях установка мини-котельных позволяет более эффективно

использовать тепло первичного источника энергии  топлива. Каждая

модернизация требует технологического обоснования.

Рис.4.2. Система энергоснабжения промышленных предприятий

Размещение источников энергии, энергоносителей и потребителей в

большинстве случаев не совпадает. Поэтому энергетическое хозяйство

предприятий дополнительно включает разветвленную систему передачи и

Отопление

Вентиляция

Горячее

водоснабжение

Технологические

процессы в

промышленности

Промышленные

процессы

сельского

хозяйства

Потребление

энергии

Электро-

энергия

Теплота

Передача

энергии

ТЭЦ, АТЭЦ

Котельные,

АСТ

Утилизация

энергоотходов

Теплота

Электроэнергия

ТЭС, АЭС

Производство

энергии

Большие

ГЭС

Вторичные энергетические

ресурсы

Энергоресурсы

Гидроэнергия

Уголь

Нефть

Природный газ

Ядерное топливо

Местное топливо

Топливо

Освещение