Материал для изучения данных вопросов см

1. Самойлов, М. В. Основы энергосбережения : учеб. пособие /М. В. Самойлов, В. В. Палевчик, А. Н. Ковалев. – Минск: БГЭУ, 2002. – 198 с.

2. Хрестоматия энергосбережения : справ. изд-е : в 2 кн. / под ред.В. Г. Лисиенко. – М. : Теплоэнергетика, 2002. – (кн. 1 – 688 с.; кн. 2 – 760 с.).

3. Сибикин, Ю. Д. Технология энергосбережения : учеб. / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. – М. : Форум, 2005. – 348 с.

4. Бескоровайный, В.В. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения: учеб. пособие / Бескоровайный, В.В., Фомичев, А.Г., Шелгунов, В.В. ; Тверской гос. техн. ун-т - Тверь: ТГТУ, 2009. - 87 с.

5. Лисицын, Н. В. Химико-технологические системы: оптимизация и ресурсосбережение: учеб. пособие для втузов / Лисицын, Н. В., Викторов, В.К., Кузичкин, Н.В. - СПб.: Менделеев, 2007. - 311 с.

6. Адрижиевский, А. А. Энергосбережение и энергетический менеджмент : учеб. пособие / А. А. Адрижиевский. – Минск: Высш. шк., 2005. – 294 с.

7. Губин, В. Е. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии в энергетике / В. Е. Губин, С. А. Косяков. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 252 с.

8. Теплоснабжение : учеб. пособие / под общ. ред. А. А. Ионина.– М. : Стройиздат, 1982. – 336 с.

9. Степанов, В. С. Потенциал и резервы энергосбережения в промышленности / В. С. Степанов, Т. Б. Степанова. – Новосибирск : Изд-во Наука, 1990. – 248 с.

10. Федоров, А. А. Основы электроснабжения промышленных предприятий / А. А. Федоров. – М. : Энергия, 1979. – 408 с.

11. Алхасов, А.Б. Возобновляемая энергетика / под ред. В.Е. Фортова - М.: Физматлит, 2010. - 255 с.

12. Соколов, Л.И.Ресурсосберегающие технологии в системах водного хозяйства промышленных предприятий: учеб. пособие для студентов, обучающихся по спец. "Водоснабжение и водоотведение" - М.: Ассоциация строительных вузов, 1997. - 254 с.

Практическая работа №1 по теме:

«Отраслевое энерго- и ресурсосбережение»

Энергосбережение является одной из важнейших задач для любого предприятия.

Цены на энергоносители, поставляемые централизованно, постоянно растут. В себестоимости конечной продукции промышленных предприятий высока доля затрат на тепловую и электрическую энергию (в полтора – два раза выше, чем в промышленно развитых странах), что негативно сказывается на конкурентоспособности товаров и оборудования, произведенного на отечественном производстве. Эффективное энерго- и ресурсосбережение позволяет значительно снизить себестоимость продукции и, как следствие, повысить ее конкурентоспособность на рынках.

Но следует отметить, что энерго- и ресурсосберегающие технологии достаточно слабо применяются предприятиями нашей страны. А между тем, здесь скрывается эффективный инструмент по повышению эффективности деятельности любого предприятия, который может использоваться в целях повышения объема оборотных средств и снижения производственных издержек, высвобождая, таким образом, дополнительные средства, которые могут быть инвестированы в развитие компании.

Существует большое количество разнообразных методов повышения рационального использования имеющихся энергетических ресурсов и мощностей. И чем раньше предприятие начнет внедрять энергосберегающие технологии, тем быстрее оно ощутит положительный эффект от этих мероприятий, который будет выражен в конкретных финансовых показателях.

Темы для самостоятельного изучения:

1. Энерго- и ресурсосбережение в пищевой промышленности.

2. Энерго- и ресурсосбережение в химической промышленности.

3. Энерго- и ресурсосбережение в нефтехимической промышленности.

4. Энерго- и ресурсосбережение в нефтеперерабатывающей промышленности.

5. Энерго- и ресурсосбережение в деревообрабатывающей промышленности.

6. Энерго- и ресурсосбережение при производстве строительных материалов.

7. Энерго- и ресурсосбережение в сельском хозяйстве.

8. Энерго- и ресурсосбережение на железной дороге.

9. Энерго- и ресурсосбережение в легкой промышленности.

10. Энерго- и ресурсосбережение в текстильной промышленности.

11. Энергосбережение в электрометаллургии.

12. Энергосбережение при электролизе.

13. Энергосбережение в машиностроении.

Практическая работа №2 по теме:

«Энергосбережение при передаче (распределении) электроэнергии»

Цель занятия: изучить вопросы энергосбережения и методики определения потерь при транспортировке электроэнергии.

Электроэнергетическая система включает электрическую часть электростанций и потребителей энергии, которые связаны между собой посредством электрических сетей.

Распределение и передача электрической энергии осуществляются электрическими сетями, включающими трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные устройства и воздушные или кабельные линии электропередачи (ЛЭП).

Передачу электроэнергии можно осуществлять при напряжении, вырабатываемом источником, согласованным с потребителем, или изменяя напряжение в ЛЭП с помощью трансформаторов (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Система передачи электроэнергии без повышения напряжения (а) и с повышением напряжения (б) в линии электропередачи

Рассмотрим оба случая передачи электроэнергии, полагая, что полезная нагрузка P, обусловленная сопротивлением нагрузки R_н , остается постоянной и передается при сопротивлении цепи R = const.

В основе анализа лежат закон Ома и формула для расчета мощности участка цепи:

I =U / R; (2.1)

P= IU . (2.2)

При принятых допущениях полезная мощность, передаваемая источником потребителю, равна

P= I₁U₁; (2.3)

P= I₂U₂ , (2.4)

где индексы 1 и 2 соответственно относятся к схемам a и б на рис. 2.1.

Потери энергии в обеих схемах, напротив, различаются:

P₁ⁿ= I₁ ² R; (2.5)

P₂ⁿ= I₂² R. (2.6)

Относительная величина потерь

P₁ⁿ / P₂ ⁿ =I₁² R/ I₂² R= I₁²/ I₂² (2.7)

С учетом (2.3) и (2.4)

P₁ ⁿ/ P₂ ⁿ=(P /U₁)² /(P/ U₂)²= U₁/ U₂ (2.8)

Таким образом, потери при передаче электроэнергии обратно пропорциональны квадрату напряжения. По этой причине в линиях электропередачи используются высокие напряжения, которые в настоящее время достигают 750–1150 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 дополнительного индуктивного сопротивления X_L и дополнительным потерям за счет реактивной мощности Q.

Паразитную реактивную мощность можно уменьшить, последовательно включив в цепь емкостное сопротивление Хс в виде батареи конденсаторов. Это следует из векторного характера рассматриваемых параметров.

Полная мощность S зависит от коэффициента (косинуса угла φ), показывающего степень запаздывания тока от напряжения:

S= P/ cos φ,

cos φ= P/ S = R/Z (2.9)

Потребителями реактивной мощности наряду с активной кроме трансформаторов являются электродвигатели, сварочные аппараты, индукционные электропечи, флюоресцентные лампы и другое электротехническое оборудование.

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.

Задача.Электрическая цепь переменного тока содержит последовательно включенные активное сопротивление R = 80 Ом и индуктивное сопротивление ХL = 100 Ом. Для компенсации реактивной мощности в цепь добавлено емкостное сопротивление Хс = 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

=128,1 Ом

Сопротивление цепи с активным, индуктивным и емкостным сопротивлением

=100Ом

Потребляемая полная мощность определяется по формуле (2.9):

S = P / cosφ=(U² /R)(Z / R).

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:

P=U_a I; Q=U_r I; S =UI ,

где U_a – активное (обычное) падение напряжения; U_r – реактивное падение

напряжения; U – полное падение напряжения в цепи.

Снижение потерь в линиях электропередачи может быть также 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 передачи электроэнергии. Во втором случае эксплуатация сверхпроводника ЛЭП требует криогенных систем, что еще выше по стоимости.

Задача 2.1. Электрическая цепь переменного тока содержит последовательно включенные активное сопротивление R,Ом и емкостное сопротивление Х_С, Ом. Для компенсации реактивной мощности в цепь добавлено емкостное сопротивление Х_L, Ом. Напряжение в цепи осталось без изменения, U, В. Определить, на какую величину изменилась потребляемая мощность. Построить векторную диаграмму.

Таблица 2.1 Варианты заданий

вариант

R, Ом

ХС, Ом

ХL, Ом

U, В

Практическая работа №3 по теме:

«Энергосбережение при транспортировке тепловой энергии»

Транспортировка преобразованной энергии в виде энергоносителей проводится в большинстве случаев по трубопроводам, что сопряжено с ее потерями на преодоление гидравлического сопротивления. Дополнительная составляющая потерь энергии в виде теплоты присутствует при транспортировке горячих энергоносителей – воды и пара, воздуха и пр.

Передача теплоты от источника потребителям осуществляется с помощью систем теплоснабжения, которые включают источник, тепловую сеть и потребителей.

Наиболее распространенными источниками теплоснабжения являются энергетические установки: ТЭЦ, атомные станции теплоснабжения (АСТ) и котельные.

Тепловая сеть включает систему трубопроводов (теплопроводов), по которым теплоноситель (горячая воды или пар) переносит теплоту от источника к потребителям и возвращается обратно к источнику. Потребителями теплоты являются промышленные и коммунально-бытовые предприятия, жилые, общественные и административные здания. Отпускаемая теплота расходуется на технологические нужды, отопление, горячее водоснабжение, вентиляцию.

Реальные тепловые сети отличаются чрезвычайной разветвленностью и могут включать несколько источников теплоты – ТЭЦ или котельные. Отдельные магистрали таких сетей связаны перемычками и имеют закольцованные участки, что повышает надежность снабжения теплотой.

Транспортировка теплоты осуществляется с помощью теплопроводов. Современные теплопроводы изготавливают в заводских условиях и конструктивно включают (рис. 3.1):

- стальную трубу для транспортировки энергоносителя;

- тепловую изоляцию из пенополиуретана с коэффициентом теплопроводности от 0,02 до 0,027 Вт/(м·К);

- защитный кожух из пластмассы (полизетелена).

Рис. 3.1 Схема элемента предварительно изолированного теплопровода

Кроме того, теплопроводы оснащены определителем течи, что позволяет точно устанавливать место повреждения и быстро устранять неисправности. Благодаря пластиковому защитному кожуху и жесткому сцеплению изоляции такие теплопроводы герметичны и выдерживают механические нагрузки со стороны грунта. Данные теплопроводы являются перспективными и прокладываются непосредственно в грунте, что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. Они надежны и удобны в обслуживании.

Для сведения тепловых потерь к минимуму при монтаже теплопроводов предусмотрена технология герметизации швов на стыках и других элементов – задвижек, переходников.

В настоящее время распространены теплопроводы с прокладкой в непроходных каналах или с надземной прокладкой. Они снабжены теплоизоляцией из минеральной ваты. Коэффициент теплопроводности сухой минеральной ваты в два раза выше, чем пенополиуретана.

Из теплопроводов формируется тепловая сеть, связывающая источники энергии с потребителями. Этот фактор учитывается таким параметром, как протяженность теплопроводов.

При транспортировке теплоты имеются потери в окружающую среду, величина которых зависит как от разности температур теплоносителя и окружающей среды, так и от качества тепловой изоляции теплопроводов. основной характеристикой теплоизоляционных материалов является коэффициент теплопроводности, который зависит от применяемого материала и его влажности; с ростом влажности материала коэффициент теплопроводности увеличивается.

Потери теплоты при транспортировке теплоносителей связаны с их охлаждением, а при использовании пара появляются дополнительные потери, обусловленные конденсацией. В общем случае при транспортировке потери теплоты в окружающую среду можно рассчитать по данным измерений на основе уравнения теплового баланса:

(3.1)

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

с_р – удельная теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, Дж/(кг·К);

t₁ и t₂ – температура теплоносителя соответственно на входе и выходе рассматриваемого участка сети;

r – теплота конденсации, Дж/кг;

G_k – расход сконденсировавшегося теплоносителя, кг/с.

Потери тепловой энергии надземным теплопроводом в окружающую среду можно довольно просто оценить на основании уравнения теплопередачи. При этом тепловой поток удобно отнести к длине теплопровода l. Тогда

(3.2)

где q_l – линейная плотность теплового потока, Вт/(м·⁰С);

k_l – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м·⁰С);

∆t ≈ (t_T – t_∞) – температурный напор, ⁰С;

t_T – средняя температура теплоносителя на исследуемо участке теплопровода, ⁰С;

t_∞ – температура окружающей среды, ⁰С.

Линейный коэффициент теплопередачи через многослойную стенку предизолированного теплопровода определяется по соотношению

(3.3)

где α – коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя, Вт/ (м²·К);

α_∞ – коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/ (м²·К);

λ, λ_И, λ_К – коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции и защитного кожуха, Вт/(м·⁰С);

D_В, D_Н, D_И, D_К – внутренний и наружный диаметры стальной трубы, наружные диаметры изоляции и защитного кожуха, м

В уравнении (3) первый член выражает термическое сопротивление теплоотдачи со стороны теплоносителя, второй – стальной трубы, третий – слоя изоляции, четвертый – защитного кожуха и пятый – теплопередачи со стороны окружающей среды. В предельном случае, упростив формулу (3), можно оценить максимальное значение возможных тепловых потерь, приняв, что коэффициент теплопередачи определяется только термическим сопротивлением многослойной стенки теплопровода:

(3.4)

Пример расчета. По чугунному теплопроводу диаметром 60×3,5 мм движется пар с температурой t_п=325⁰С. Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе α₁=110 Вт/ (м²·К). Окружающий наружный воздух имеет температуру t_В=20⁰С. Найти удельные тепловые потери, если теплопровод изолирован слоем пеношамота толщиной 70 мм, а коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха α₂=15 Вт/ (м²·К). Коэффициент теплопроводности чугуна 90 Вт/ (м·К), а пеношамота – 0,29 Вт/ (м·К).

Решение. В соответствии с условием задачи наружный и внутренний диаметры теплопровода и диаметр изоляции соответственно равны: D_Н= 60 мм, D_В= 60–2·3,5=53 мм, D_И= 60+2·70=200 мм.

Коэффициент теплопередачи находим по формуле (3):

Варианты заданий

А. По пеноуретановому теплопроводу диаметром d движется вода с температурой t_п. Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе α₁. Окружающий наружный воздух имеет температуру t_В. Найти удельные тепловые потери, если теплопровод изолирован слоем пеношамота толщиной h_И, а коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха α₂. Коэффициент теплопроводности стали λ, пеношамота λ_И.

вариант
d, мм	50×1,5	60×2,5	70×3,0	80×3,5	50×2,5	60×2,0	50×2,5	80×3,0	60×2,5	70×3,0	50×2,5	60×2,5	50×1,5
hИ, мм
tп, 0С
tВ, 0С					-5		-10				-5	-10
α1, Вт/ (м2·К)
α2, Вт/ (м2·К)
λ, Вт/ (м·К)
λИ, Вт/ (м·К)	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29	0,29

Практическое занятие №4 по теме:

«Испытание оборудования на герметичность»

На химических и нефтехимических предприятиях, где широко применяют открытые установки (оборудование, смонтированное под открытым небом), источниками загрязнения являются вредные вещества, поступающие в окружающую среду через фланцевые соединения и неплотности оборудования, находящегося под давлением или небольшим разрежением.

Количество вредных веществ, выделяющихся из оборудования, работающего под давлением, рассчитывают по формуле (1):

, (4.1)

где G, кг/ч – количество газа вытекающего из оборудования,

G_н и G_к, кг – начальное и конечное содержание газа в оборудовании,

,ч – время, в течение которого изменяется давление от начального р_н до конечного р_к,

V, м³ – объем газовой или паро-воздушной фазы в оборудовании,

Т_н и Т_к, К – начальная и конечная температура,

R, Дж/(кг×К)– газовая постоянная для рабочей среды. ( , где =8314 Дж/(кмоль×К)– универсальная газовая постоянная,

m, кг/кмоль – молярная масса газа).

Если , то формула один имеет вид:

, кг/ч (4.2)

Для определения значения проводят испытания оборудования и трубопроводов на герметичность. При испытаниях на герметичность оборудования и трубопроводов, работающих под давлением, измеряют рабочее давление или давление начала испытания, и падение давления за определенный промежуток времени . Для этого к испытуемому оборудованию присоединяют прибор, изображенный на рис.1.

а - прибор для испытаний; б - положение трехходового уравнительного крана и жидкости в дифференциальном манометре во время испытания

1-испытуемое оборудование; 2-манометр; 3-трехходовый уравнительный кран; 4-дифференциальный манометр; 5-контрольная емкость

Рис.4.1 Прибор для измерения падения давления при испытании оборудования на герметичность

Рабочее давление измеряют манометром 2, а падение давления жидкостным дифференциальным манометром 4. Порядок проведения измерений следующий. Подают исследуемый газ из баллона 5 до рабочего (начального) давления р_н, трехходовый кран 3 ставят в положение, указанное на рис.1Б. При утечке исследуемого газа через неплотности давление в оборудовании уменьшатся. Падение давления на величину Dр за время t регистрируют по динамометру. По результатам испытания рассчитывают количество газа, вытекающего из оборудования и делают заключение о герметичности последнего.

Герметичность химического оборудования контролируют по количеству вытекающего из оборудования газа G; уровень допустимых выбросов из работающего оборудования лимитируется нормативом, превышение величины которого недопустимо.

Численные оценки качества оборудования, монтажа, уплотнений проводят с использованием показателя, называемого коэффициентом негерметичности.

Коэффициентнегерметичностиmесть величина относительного падения давления при испытании оборудования в единицу времени.

(4.3)

Преобразуя формулы (1) и (3) ,получим:

(4.4)

Формула (4) позволяет по данным испытания оборудования на герметичность значение коэффициента не герметичности.

В качестве исследуемого газа при испытании на герметичность можно использовать рабочий газ или воздух. Если испытания проводят воздухом при T=293 K, то расчет ведут по формуле (5):

, (4.5)

где 8,3×10³ – коэффициент, учитывающий время испытания(1ч, Т=293К) и газовую постоянную воздуха ;

– коэффициент запаса, учитывающий ухудшения состояния герметизации между капитальными ремонтами оборудования (выбирают в интервале 1,5-2.0);

Т_р, К – рабочая температура;

М_р– молекулярная масса рабочего газа, 29 кг/кмоль для воздуха.

Пример расчета. Рассчитать количество диоксида серы, выделяющегося за 1 час из трубопровода, имеющего внутренний диаметр 100 мм и общую протяженность 100 м коэффициент негерметичности. При испытаниях на герметичность в течение 24 ч. установлено. Что давление диоксида серы (SO₂) в этом трубопроводе снизилось с 1×10⁶Па до 9,909×10⁵Па, Т_н=Т_к=293К.

Решение:

1. Находим значение газовой постоянной для диоксида серы:

=130Дж/(кг×К)

где m_SO2 - молярная масса SO₂,кг/кмоль (определяется по таблице Менделеева);

=8314 Дж/(кмоль×К)- универсальная газовая постоянная.

2.Рассчитаем объем трубопровода:

3. По формуле (4.2) находим количество диоксида серы, выделяющегося из трубопровода:

=7×10^-3 кг/ч

4. Коэффициент негерметичности найдем из формулы (4.4):

5. Из таблицы 1 для рассчитываемых условий .

6. Из сравнения значения коэффициента негерметичности, полученные путем расчета и значения, взятые из таблицы, следует, что рассчитываемый трубопровод имеет требуемую герметичность.

Таблица 1