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 Rн , 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 XL 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=Ua I; Q=Ur I; S =UI ,
где Ua – активное (обычное) падение напряжения; Ur – 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 ХС, Ом. Для компенсации реактивной мощности в цепь добавлено емкостное сопротивление ХL, 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;
ср – 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;
Gk – 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 ql – линейная плотность теплового потока, Вт/(м·0С);
kl – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м·0С);
∆t ≈ (tT – t∞) – температурный напор, 0С;
tT – 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, λИ, λК – коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции и защитного кожуха, Вт/(м·0С);
DВ, DН, DИ, DК – 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 tп=3250С. Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе α1=110 Вт/ (м2·К). Окружающий наружный воздух имеет температуру tВ=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: DН= 60 мм, DВ= 60–2·3,5=53 мм, DИ= 60+2·70=200 мм.
Коэффициент теплопередачи находим по формуле (3):
Варианты заданий
А. По пеноуретановому теплопроводу диаметром d движется вода с температурой tп. Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе α1. Окружающий наружный воздух имеет температуру tВ. Найти удельные тепловые потери, если теплопровод изолирован слоем пеношамота толщиной hИ, а коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха α2. Коэффициент теплопроводности стали λ, пеношамота λИ.
| 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,
Gн и Gк, кг – начальное и конечное содержание газа в оборудовании,
,ч – время, в течение которого изменяется давление от начального рн до конечного рк,
V, м3 – объем газовой или паро-воздушной фазы в оборудовании,
Тн и Тк, 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 рн, 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);
Тр, К – рабочая температура;
Мр– 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, Тн=Тк=293К.
Решение:
1. Находим значение газовой постоянной для диоксида серы:
=130Дж/(кг×К)
где mSO2 - 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