Инструментальный энергоаудит.

Инструментальный энергоаудит представляет собой целенаправленную систему контрольных измерений в энергетической системе предприятия. Энергетическая система представляет собой комплекс взаимодействующих 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).

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

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 . . ."[9].

В соответствии с законом сохранения вещества можно составить следующий материальный баланс на реальном предприятии:

Σm_j^ВХ = Σm_j^ИСХ (4.1)

Здесь m_j^ВХ, m_j^ИСХ – масса входящего и исходящего продукта j-того потока соответственно.

В исходящем потоке всегда присутствуют полезный продукт m_j^ПОЛ и отходы производства[10] m_j^ОТХ. С учетом этого можно ввести коэффициент выхода полезного продукта:

(4.2)

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

(4.3)

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 сумма входящих потоков энергии равна сумме выходящих потоков энергии. Математически это записывается следующим образом:

(4.4)

где W_i – i-тый поток входящей энергии, Дж;

W_j – 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, 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:

(4.5)

где А_ПОЛ – полезная работа, Дж;

А_Σ – вся произведенная работа, Дж;

А_ПОБ – побочно произведенная работа, Дж.

Учитывая, что любая произведенная работа по определению численно равна преобразованной при ее производстве энергии, можно записать:

(4.6)

Здесь W_пол – энергия, затраченная на производство полезной работы, Дж;

W_ПОБ – энергия, затраченная на производство побочной работы, Дж;

W_Σ – 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.

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[11], 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 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 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 преобразование энергии) как при аккумулировании, так и при высвобождении энергии.

Эти свойства аккумулирования энергии обязательно надо учитывать при создании соответствующих энергетических систем. Обычно энергия аккумулируется в период ее неизбежного избытка и освобождается при естественном дефиците. Например, имеет смысл аккумулировать солнечную энергию в светлое время суток и освобождать ее для освещения в темное время суток.

В заключение отметим, что энергия (способность материальных объектов производить работу) существует только в среде потенциальных полей. Характеристики наиболее применяемых энергетических полей приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Энергетические поля

4.3. Уравнение

энергетического баланса

Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, который для замкнутой системы (работы внешних сил равны нулю) можно привести в следующей формулировке: "Для замкнутой системы энергия остается постоянной при всех происходящих в системе процессах, при этом энергия может изменять свой вид, но общее ее количество остается постоянным". Для открытой системы, общающейся, например, с окружающей средой (реальные энергетические машины) закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом; "Невозможно создать такую машину, которая, совершив работу, вернулась бы в исходное состояние без изменений в ней самой или в окружающей среде".

Использование энергии для производства работы можно представить следующей открытой системой (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1. Схема преобразования энергии

в процессе производства работы

На основании закона сохранения энергии можно записать уравнение:

W_BX = W_ВЫХ1 + W_ВЫХ2 (4.7)

Это уравнение справедливо всегда при преобразовании энергии и называется энергетическим балансом. Заметим, что в (4.7) W_ВЫХ2 (часть энергии преобразованной в процессе выполнения побочной работы) всегда больше нуля, а W_ВЫХ1 (часть энергии преобразованной в процессе выполнения полезной работы) может быть равна нулю. Последнее возможно, если преобразование энергии происходит без заказа на производство какой-либо полезной работы.

Энергетический баланс, представленный уравнением (4.7), позволяет определить эффективность преобразования энергии. Действительно, чем больше W_ВЫХ1, тем эффективнее преобразование энергии W_ВХ. Заметим, что отношение W_ВЫХ1 к W_ВХ является к.п.д. преобразования энергии. Учитывая закон сохранения энергии к.п.д. можно представить в следующем виде, удобном для анализа:

(4.8)

Из (4.8) наглядно следует, что чем меньше W_ВЫХ2, тем выше к.п.д. преобразователя.

Глава 5. Эксергетический

Анализ предприятия

5.1. необходимость

и особенности эксергетического

анализа

Недостатком энергетического баланса в виде (4.7) является отсутствие учета возможностей преобразования. Дело в том, что для повышения эффективности преобразования можно не только стремиться уменьшить W_ВЫХ2, но и пытаться использовать эту энергию для вторичного преобразования. Однако уравнение (4.7) не несет информации о возможности такого преобразования энергии W_ВЫХ2. Вместе с тем существуют виды энергии, которые имеют ограниченные возможности преобразования. Например, тепловая энергия, после перетекания от более нагретого тела к менее нагретому телу, не может быть возвращена от менее нагретого тела к более нагретому телу без приложения дополнительной энергии (второй закон термодинамики). Кроме того, тепловая энергия (по этому же закону) непрерывно стремится перейти от более нагретого тела к менее нагретому, например, в окружающую среду.

Учесть возможности преобразования позволяет эксэргетический баланс. Для его составления и анализа введем понятие эксэргии и анергии.

Максимальную работу можно получить при обратимом переходе энергоносителя (рабочего тела) из начального состояния в конечное состояние. Примем, что конечным состоянием будет некоторая окружающая среда. Тогда максимальная работа будет получена в процессе перехода рабочего тела из начального состояния в состояние равновесия с окружающей средой. Эту максимальную работу называют работоспособностью энергоносителя, или эксергией. Таким образом, эксергия, это та часть энергии рабочего тела, которая может переходить из начального состояния в состояние равновесия и обратно. Отметим при этом, что для обратного перехода потребуется приложение энергии, в противном случае мы получим "перпетуум мобиле" (вечный двигатель, в котором рабочее тело после совершения работы возвращается в исходное состояние без затрат энергии извне).

При обратимом изменении рабочего тела обязательно изменяется вид энергии. Отметим также, что энергию можно превратить в другой вид и обратно не всю полностью. Таким образом, любой вид энергии можно разделить на две части – обратимо превращаемую и необратимо превращаемую в другие виды энергии. Для конкретной системы преобразования энергии можно записать:

W = E_W + A_W (5.1)

где Е_W – эксэргия энергии, Дж;

А_W – анергия энергии, Дж.

Заметим, что эксэргия определяет превращаемую часть энергии, а анергия – не превращаемую часть энергии. Заметим так же, что при изменении системы преобразования энергии эти части так же изменяются. С учетом того, что эксергия в отличие от энергии не подчиняется закону сохранения, то естественно стремление к таким процессам, в которых расходование эксергии (превращение эксергии в анергию) происходит наиболее медленно. В качестве эталона обратимости энергии применяется механическая энергия, так как при производстве механической работы происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую (работа производится над телом) или кинетической в потенциальную (работа производится телом).

Проанализируем виды энергии сточки зрения обратимости, то есть, с точки зрения запаса эксергии.

Для идеализированных (не реальных) случаев считается, что механическая и электрическая энергия не имеют анергии, то есть, состоят только из эксэргии. Такое утверждение основывается на предположении высокой упорядоченности носителей этих видов энергии, в отличие от тепловой энергии, которая представляет неупорядоченную форму передачи внутренней энергии.

Однако такое допущение корректно для весьма упрощенных случаев. Практически в природе нет абсолютно упорядоченного движения. Так электрический ток представляет собой хаотично-направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов) под действием разности электрических потенциалов. Хаотичная составляющая движения заряженных частиц как раз и обусловлена тепловыми колебаниями атомов и молекул, что подтверждается увеличением сопротивления проводников при увеличении температуры. Естественно, при таком движении заряженные частицы "сталкиваются" с атомами. (Здесь термин "сталкиваются" взят в кавычки, поскольку прямого столкновения нет). В процессе столкновения часть энергии движущихся заряженных частиц преобразуется в кинетическую энергию атомов проводника электрического тока, что увеличивает его температуру. То есть, при протекании электрического тока часть электрической энергии преобразуется в тепловую энергию проводников. Это явление было открыто Джоулем, носит название "Джоулева теплота" и описывается следующим выражением:

Q = I²Rτ (5.2)

Здесь I – значение протекающего по проводнику тока, А;

R – электрическое сопротивление проводника, Ом;

τ – время, в течение которого протекает ток по проводнику, с.

Таким образом, неизбежное превращение части электрической энергии при производстве работы в тепловую энергию, обязательно обусловливает наличие тепловой эксэргетической составляющей. Это в свою очередь препятствует полной обратимости электроэнергии, то есть, подтверждает наличия в ней анергии.

Преобразование механической энергии (даже из кинетической в потенциальную и обратно), также сопряжено с преобразованием ее части в тепловую энергию, что обусловлено трением поверхностей и деформацией тел. Таким образом, механическая энергия так же имеет анергию.

Тепловая энергия (теплота) неизбежно переходит от более нагретого тела к менее нагретому телу (в конечном счете, в окружающую среду). Теплота, рассеянная в окружающей среде не может перейти к более нагретому телу и составляет анергию тепловой энергии.

Таким образом, анергия присуща только тепловой энергией. Но так как часть всех видов энергии при взаимных превращениях неизбежно превращается и в теплоту, то в составе любой энергии можно выделить анергию. Учитывая исключительную роль тепловой энергии в эксергетическом анализа (наличие анергии), рассмотрим элементы термодинамики, которые помогут нам проводить эксергетический анализ.

5.2. Элементы термодинамики

Простейшая модель теплосиловой энергетической установки приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Простейшая модель теплоэнергетической установки

В теплосиловой установке к рабочему телу подводится теплота Q_ВХ, в результате чего оно испаряется и расширяется. Расширяясь, рабочее тело производит работу А, толкая поршень или вращая турбину. После производства работы температура рабочего тела понижается, Однако для перевода его в исходное жидкое состояние требуется отвод теплоты Q_ВЫХ. Устройство по отводу теплоты называется конденсатором, в котором рабочее тело конденсируется в жидкость. Для данной системы можно записать уравнение сохранения энергии:

Q_ВХ = Q_ВЫХ + А (5.3)

Теплота, это тепловая энергия нагретого тела, пропорциональная его температуре:

ΔQ = cmΔT (5.4)

где с – теплоемкость тела или газа, Дж/кг•К;

m – масса тела, кг;

Т – температура тела, К.

Теплоемкость газа зависит от процесса изменения его состояния, различают теплоемкости с_Р (измеренную при постоянном давлении) и с_V (измеренную при постоянном объеме). Эти теплоемкости для одного моля газа связаны между собой уравнением Майера:

с_Р = с_V + R (5.5)

Здесь единица измерения теплоемкостей Дж/моль•К.

Рассматривая простейшую модель теплоэнергетической установки можно заметить, что рабочее тело произвело работу, изменив свое состояние (нагревшись и расширившись). Изменяя свое состояние, рабочее тело изменило и свою внутреннюю энергию Вернуться в исходное состояние рабочее тело смогло, только отдав часть теплоты Q_ВЫХ.. Можно предположить, что эти две величины (изменение внутренней энергии и отданная теплота) равны по значению. Соотнося приведенные рассуждения с законом сохранения энергии

Q = ΔU + А (5.6)

Здесь Q – теплота, получаемая системой, Дж;

ΔU – изменение внутренней энергии тела, Дж.

В дифференциальной форме выражении (5.6) приобретет вид:

dQ = dU + dA (5.7)

Это математическая запись первого закона термодинамики, который можно сформулировать следующим образом: "Подведенная к телу теплота идет на изменение его внутренней энергии и производство работы".

Приняв, что рабочее тело производит работу по выталкиванию поршня (рисунок 5.2), можно получить математическое выражение работы.

(5.8)

где F – сила, действующая на поршень, Н;

dh – перемещение поршня под действием газа, м;

р – давление газа под поршнем, р = constant;

S – площадь поршня, м²;

V – вытесненный объем, м³.

Рисунок 5.2. К определению работы расширяющегося газа

Что бы найти внутреннюю энергию, положим, что работа не производится, то есть объем под поршнем остается постоянным. Тогда можно записать:

dQ = dU (5.9)

Разделив обе части на dT и рассматривая один моль газа, получаем:

, , (5.10)

Здесь принята теплоемкость при постоянном объеме.

Подставляя (5.10) и (5.8) в (5.6), получаем:

dQ = c_VdT + pdV (5.11)

Используя уравнение Менделеева-Клайперона pV = nRT, и уравнение Майера, можно получить еще одно уравнение первого закона термодинамики:

dQ = c_PdT – Vdp (5.12)

Для эксергического анализа нам понадобится еще две величины – энтальпия и энтропия рабочего тела.

Энтальпией называется сумма внутренней энергии газа и произведения его давления и объема /3,10,15/:

h = u + pV (5.13)

В дифференциальной форме выражение (5.13) имеет вид:

dh = dU + pdV + Vdp = δQ + Vdp = dQ + Vdp (5.14)

Здесь δQ неполный дифференциал энтальпии, численно равный дифференциалу теплоты.

Понятие энтропии можно уяснить из следующей формулировки: "Изменение энтропии равно отношению изменения теплоты при изменении температуры на 1 градус Кельвина".

(5.15)

Выразив dQ через характеристики рабочего тела (5.11), имеем:

(5.16)

Решая дифференциальное уравнение (5.16), получаем

(5.17)

Аналогично, используя (5.12), получаем

(5.18)

5.3. Уравнение

эксергического баланса

Для вывода уравнения изменения эксергии положим, что вещество (рабочее тело) отдает теплоту в окружающую среду, температура и давление которой постоянны. В этом случае отдаваемая теплота может быть представлена следующим образом /3, 10, 13/:

dQ = T₀dS (5.19)

где Т₀ – температура окружающей среды, К.

Эксергия рабочего тела в замкнутом объеме равна произведенной им работе за вычетом работы по преодолению давления окружающей среды р₀. То есть, выражение для эксергии принимает вид:

dE_W = dA – Vdp = dQ – dU – Vdp = Т₀dS – dU – Vdp (5.20)

Здесь последнее слагаемое (Vdр) работа по преодолению давления окружающей среды.

После интегрирования (5.20), получаем:

E_W = T₀(S₀ – S) – (U₀ – U) – V(р₀ – р) =

= (U – U₀) + V(р – рV₀) – T₀(S – S₀) (5.21)

Как известно из термодинамики, максимальная работа производится по обратимому циклу Карно. Эта же максимальная работа по определению равна эксергии термодинамической системы. Следовательно:

(5.22)

Здесь Е_Т – эксергия теплоты, Дж;

Q₁ – подводимая к системе тепловая энергия, Дж;

Т₀ – температура окружающей среды, К;

Т₁ – температура источника тепловой энергии, нагревателя, К.

Учитывая, что эксергия вместе с анергией составляет полную энергию, (в данном случае Q₁) то анергия теплоты равна:

(5.23)

Для анализа тепловых процессов используется эксергетический баланс. Предположим, что в тепловую машину с параметрами рабочего тела р₁, Т₁ поступает теплота Q₁. Тепловая машина производит работу А, в результате чего параметры рабочего тела принимают значения р₂ и Т₂. Потеря эксергии в этом случае будет:

ΔЕ_Т = Е_РТ1 + (Е_Т1 – Е_РТ2) – А (5.24)

где Е_Т1 – эксергия подводимой теплоты, Дж.;

Е_РТ1 – эксергия рабочего тела до совершения работы, Дж.;

Е_РТ2 – эксергия рабочего тела после совершения работы, Дж..

В общем виде эксергетический баланс записывается следующим образом:

(2.25)

где – сумма эксергий входящих в систему потоков, Дж.;

– сумма эксергий выходящих из системы, Дж.;

А – производимая системой работа, Дж.;

ΔЕ – потери эксергии, Дж.

Глава 6. Интенсивное

Энергосбережение

6.1. Постановка задачи

интенсивного энергосбережения

Существует два направления энергосбережения – экстенсивное и интенсивное. Экстенсивное (от слова extensivus – расширяющийся, удлиняющийся (лат.)) энергосбережение означает количественное уменьшение потребления энергии. Например, выключение освещения в светлое время суток, ужесточение норм энергопотребления, устранение хищений топливно-энергетических ресурсов и т.п. все эти мероприятия не предполагают замену энергооборудования и совершенствования процессов энергопотребления и не требуют инвестиций и капитальных вложений. Тем не менее, экстенсивное энергосбережения позволяет получить положительный эффект энергосбережения там, где имеет место расточительное использование энергоресурсов.

Гораздо большего эффекта позволяет достичь интенсивное (от слова intension – напряженный, усиленный (лат.)) энергосбережение. Интенсивное энергосбережение предполагает изменение качества энергоустановок и технологических линий, которые приводят к повышению производительности и качества продукции и (или) к снижению энергоемкости продукции. Изменение качества потребителей энергии почти всегда требует капитальных вложений и других инвестиций, однако, эффективность таких вложений более высокая, чем в другие (не энергосберегающие) проекты (см. гл. 2).

Потребность в инвестициях и капитальных вложениях требует технико-экономического обоснования мероприятий интенсивного энергосбережения. Очень часто (хотя и не всегда) требуется оптимизировать денежные, трудовые и иные затраты (в дальнейшем – затраты) на внедрение энергосберегающих технологий и энергооборудования. Оптимизация затрат требуется при нелинейных зависимостях эффекта энергосбережения от инвестиций. Необходимость оптимизации затрат в этом случае объясняется тем, что при внедрении мероприятий интенсивного энергосбережения с одной стороны уменьшается удельное потребление энергии, что приводит к уменьшению себестоимости выпускаемой продукции, с другой стороны требуется привлечение дополнительных средств на реконструкцию потребителей энергии, что повышает себестоимость продукции. Качественно это можно пояснить рисунком 6.1.

Рисунок 6.1. К пояснению необходимости оптимизации затрат

на интенсивное энергосбережение

1 –себестоимость с учетом дополнительных затрат, 2 –стоимость потребляемой энергии, 3 – суммарный эффект от энергосберегающих мероприятий

Таким образом, задача обоснования мероприятий по интенсивному энергосбережению сводится к оптимизации затрат на их проведение. Так как мероприятия по интенсивному энергосбережению долгосрочные, то эта задача усложняется из-за нестабильности цен. В условиях инфляции требуется проводить оптимизацию на фоне прогнозирования экономического развития и цен на топливно-энергетические ресурсы. Кроме того, трудно поддается учету "скрытый" эффект от экономии ископаемого углеводородного топлива (экологическая сторона эффекта).

6.2. Традиционные

критерии энергетической оптимизации

Для решения задач интенсивного энергосбережения в принципе применимы общие методы оптимизации, основанные на выборе критерия оптимальности, выявлении целевой функции и последующей ее реализации. В качестве критерия оптимальности может выступать один или несколько традиционных критериев эффективности использования энергии, например, к.п.д. энергоустановок.

Как известно, к.п.д. равен отношению полезной работы к затраченной энергии

(6.1)

где W₁ – подводимая энергия, Дж.;

W₂ – отводимая (теряемая) энергия, включая энергию и на производство не полезной работы, Дж.

Если часть отводимой энергии используется вторично, то к.п.д. определяется следующим образом:

(6.2)

Здесь ν – доля возвращенной (вторично используемой) энергии

Часто возвращенная энергия используется совершенно в другом процессе и на другой энергетической установке, которая имеет свой к.п.д. Это надо учитывать при оценке эффективности использования энергии на всем предприятии или его подразделении.

Кроме к.п.д. энергетических установок, характеризующий их эффективность, используется коэффициент использования энергии, который равен:

(6.3)

Здесь ω – коэффициент использования энергии, о.е.;

W_ИСП – использованная энергия, то есть, энергия превращенная в работу, Дж.

Учитывая численное равенство энергии и работы, а также то, что часть энергии может использоваться вторично, можно записать:

(6.4)

Отметим, что здесь в качестве W₂ рассматривается любая отведенная энергия, в том числе и от других энергоустановок. В последнем случае коэффициент использования энергии может быть выше единицы. Например, тепловые насосы поставляют больше тепловой энергии, чем потребляют на свою работу.

Для теплоэнергетического оборудования в качестве критерия эффективности использования тепловой энергии часто принимают относительный термический к.п.д. энергоустановки. Относительный к.п.д. показывает отношение термического к.п.д. анализируемой установки, к термическому к.п.д. цикла Карно.

Цикл Карно в координатах рV имеет вид, представленный на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2. Цикл Карно для идеального газа

В цикле Карно газ вначале адиабатически (без теплообмена с окружающей средой и нагревателем) сжимают, уменьшая объем с V₁ до V₂ (кривая 1 – 2). На этом участке необходимо выполнить работу по его сжатию. В результате сжатия газ нагревается до температуры нагревателя Т_Н = Т₂. Затем при этой температуре его изотермически расширяют с подводом тепла Q_Н (кривая 2 – 3). В точке 3 подвод тепла прекращается и газ расширяется адиабатически, производя полезную работу А (кривая 3 – 4). Расширение прекращается, когда температура газа станет равна температуре охладителя Т_Х = Т₄. Далее от газа отводят теплоту Q_ОТВ таким образом, что он сжимается по изотерме при температуре охладителя (кривая 4 – 1). Цикл замкнулся.

Термический к.п.д.[12] цикла Карно определяется отношением полезной работы к подведенной энергии.

(6.5)

По закону сохранения энергии

Q_H = A + Q_ОТВ (6.6)

С учетом этого, термический к.п.д. цикла Карно равен:

(6.7)

Учитывая, что теплота пропорциональна температуре, окончательно получаем:

(6.8)

Как известно из термодинамики идеальный цикл Карно имеет максимально возможный термический к.п.д. и превышает к.п.д. других циклов, протекающих в тех же условиях (при тех же температурах охладителя и нагревателя). В этой связи естественно стремление приблизить эффективность реальных теплоэнергетических установок к циклу Карно.

Относительный к.п.д. теплоэнергетической установки определяется по формуле:

(6.9)

Здесь η_ТЭУ – к.п.д. анализируемой теплоэнергетической установки.

В формуле (6.9) термический к.п.д. цикла Карно необходимо вычислять при температуре охладителя[13] и нагревателя рабочей анализируемой теплоэнергетичесой установки, то есть, при тех же условиях.

В котельном оборудовании, на теплоэлектростанциях (ТЭЦ) и при вторичном использовании отводящей теплоты используются утилизаторы теплоты. Утилизаторы теплоты, это в простейшем случае теплообменники (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3. Схема теплообменника

Т_ВХ – температура газов или жидкости на входе в теплообменник, Т_ВЫХ – температура газов или жидкости на выходе из теплообменника, Т′_ВХ – температура возвращаемых газов или жидкости на входе в теплообменник, Т′_ВЫХ – температура возвращаемых газов или жидкости на выходе из теплообменника,

В теплообменниках газ или жидкость прокачивается через отработанные нагретые газы или жидкость. В результате тепло отработанных газов (жидкости) отдается прокачиваемым газам (жидкости), и они нагреваются. Для теплообменников характерны соотношения: Т_ВХ > Т_ВЫХ, Т′_ВХ < Т′_ВЫХ. К.п.д. утилизаторов отработанных газов легче всего определить через энтальпию:

(6.10)

где h₁ – удельная энтальпия отработанных газов на входе в утилизатор теплоты, Дж/кг;

h₂ – энтальпия отработанных газов на выходе из утилизатора теплоты, Дж/кг;

q_Г – удельные потери теплоты на испарение влаги из газа (на 1 кг сухих газов), Дж/кг.

Если используется отработанный пар или отработанная жидкость, то к.п.д. утилизатора определяется более просто:

(6.11)

Кроме к.п.д. утилизаторов теплоты для оценки эффективности их работы применяется коэффициент эффективности теплообмена, предложенный Кэйсом и Лондоном /13/:

(6.12)

где С – водяной эквивалент теплоносителя;

г,н – индексы, относящиеся к греющему и нагреваемому теплоносителям соответственно;

1,2 – индексы, относящиеся к теплоносителю на входе и выходе соответственно;

С_min – меньшая величина из С_Г и С_Н.

Коэффициент эффективности теплообмена представляет собой отношение фактической тепловой мощности теплообменника к максимально возможной тепловой мощности на данном теплоносителе. Максимально возможная тепловая мощность может быть получена при коэффициенте теплопередачи λ → ∞ или площадью теплообмена S → ∞.

Для оценки эффективности использования греющего или нагреваемого теплоносителя применяют коэффициент использования соответствующего теплоносителя /13/:

(6.13)

(6.14)

Здесь ΔТ_Г, ΔТ_Н – изменение температуры греющего или нагреваемого теплоносителя соответственно, К;

ΔТ_МАХ – максимальный температурный напор в теплообменнике, К.

Критерием оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов служит энергоемкость выпускаемой продукции, которая определяется по формуле:

(6.15)

где W_j – потребление топливно-энергетических ресурсов j-того вида, приведенных к условному топливу (приложение 2), т.у.т.;

G_ПР – количество выпущенной продукции, руб.

Снижение энергоемкость продукции может служить в качестве критерия эффективности энергосберегающих мероприятий:

(6.16)

где w_ПРБ – энергоемкость продукции базовая (до внедрения энергосберегающих мероприятий), т.у.т./руб.;

w_ПРН – энергоемкость продукции новая (после внедрения энергосберегающих мероприятий), т.у.т./руб.

6.3. Критерии

энергетической оптимизации

на основе эксергетического анализа

Кроме традиционных критериев эффективности использования энергии, существуют и другие критерии, отражающие особенности энергосбережения в конкретных установках. Учитывая ограниченную обратимость тепловой энергии представляются весьма перспективными критерии на основе эксергетического анализа. Эти критерии позволяют выявлять в любой системе элементы с наибольшей анергией (необратимостью) тепловых процессов и совершенствовать или исключать их из технологических линий производства.

Большинство задач с применением эксергетического анализа ограничиваются оценкой только теплогенерирующих устройств, и практически не рассматривают системы "генератор теплоты – транспортировка тепловой энергии – потребитель теплоты". При этом отметим не только явное преобладание таких задач в практике, но и особенности их решения, связанные с противоречием интересов потребителя и поставщика тепловой энергии[14]. Например, известно, что стоимость теплоты тем выше, чем выше температура ее источника. С другой стороны, теплота с температурой близкой к окружающей среде практически не представляет никакого интереса. Это противоречие так же относит задачи по энергосбережению к классу оптимизационных задач.

Эффективность всей энергосистемы зависит не только от эффективности ее отдельных элементов (генератор, транспортные средства, потребители энергии), но и от термодинамического соответствия. Например, если генератор тепла имеет максимально возможный к.п.д., но будет подавать на приемник теплоту с завышенной или заниженной температурой, то общая эффективность термодинамической системы не будет максимально возможной. Только создания условий термодинамического соответствия элементов системы в сочетании с высокими показателями эффективности этих элементов обеспечит высокую эффективность всей системы. Эти же условия позволяют свести к минимуму потери от необратимости в процессах передачи теплоты от источника к потребителю, то есть, потери эксергии.

В любом тепловом процессе подводимая эксергия меньше отводимой. Вследствие этого в теплообменниках ценность (запас эксергии) теплоты греющего теплоносителя всегда больше ценности теплоты нагреваемого теплоносителя. Эксергетические потери можно вычислить по уравнению Гюи-Стодолы:

ΔЕ_Т = Т₀ ΔS_НЕОБР (6.17)

где ΔS_НЕОБР – изменение энтропии в результате необратимости процессов, Дж/К.

Изменение энтропии определяют по уравнению энтропического баланса для открытой термодинамической системы.

Используя уравнение Гюи-Стодолы степень термодинамического соответствия можно определить следующим образом:

(6.18)

где Е₁ – эксергия входящего потока тепла, Дж.;

Е₂ – эксергия выходящего (отводимого) потока тепла, Дж.

Если в установке используется два потока теплоносителей (например, теплообменники), то можно определять эксергетическое совершенство следующим образом:

(6.19)

Здесь ΔЕ_Н – увеличение эксергии нагреваемого теплоносителя, Дж.;

ΔЕ_Г – уменьшение эксергии греющего теплоносителя, Дж.

Формула (6.19) показывает на сколько увеличивается эксергия нагреваемого потока за счет эксергии греющего потока.

Обобщающим показателем эксергетической эффективности служит эксергетический к.п.д. термодинамической системы:

(6.20)

Эксергетические критерии позволяют значительно уточнить энергетический анализ. Так, например, при традиционном анализе теплообменника в соответствии с первым законом термодинамики не имеет значение температура нагревателя воды. Эксергетический анализ показывает влияние температуры нагревателя на эффективность теплового процесса /13/. В подтверждении рассмотрим следующий пример.

Пусть требуется нагревать воду от 283 К до 343 К. Первый вариант нагрева от источника тепла с температурой 1573 К, второй вариант нагрева от источника тепла с температурой 423 К. Используя (5.22) рассчитаем эксергетический к.п.д.

По первому варианту

По второму варианту

Как видим, второй вариант имеет более чем в два раза больший эксергетический к.п.д. Это значит, что по второму варианту более долго можно использовать тепловую энергию до ее полного превращения в анергию, то есть, до ее полного рассеивания в окружающей среде. Используя первый закон термодинамики о балансе подводимой теплоты, внутренней энергии и работы, таких результатов получить не удается.

Таким образом, эксергетический анализ и эксергетические критерии оптимальности энергосистем в отличие от термодинамического анализа позволяют устанавливать максимально эффективные тепловые процессы путем определения и дальнейшего устранения потерь эксергии. После установления узлов с недопустимо высокими эксергетическими потерями эффективность системы можно повысить двумя способами:

§ уменьшить потери в тех узлах, в которых выводится теплота;

§ создать новые узлы для использования эксергии выводимой теплоты.

Первый способ основан на замене неэффективного оборудования на более эффективное в термодинамическом отношении. Второй способ предполагает использовать теплообменники (которые и устанавливаются в новых узлах термодинамической системы) для вторичного использования отводимого тепла от неэффективно используемых энергоустановок. Априорно можно утверждать, что эти способы альтернативны друг другу, и требуют элементарных экономических расчетов по их выбору. Действительно, чем меньше будут потери теплоты, тем худшие условия для ее отбора. Следовательно, полное решение первой задачи (уменьшение потерь до нуля) снимает вторую задачу (установку теплообменников)[15].

Глава 7. Энергосбережение