Теоретические основы энергосбережения

Ход урока.

 

1. При помощи учебника самостоятельно законспектировать тему.

2. При конспектировании можно использовать конспекты преподавателя.

Теоретические основы энергосбережения

Конечное потребление энергии человеком, обществом или промышленным производством (тепло, свет, электричество, звук, движение и т.п.) всегда соответствовало уровню развития цивилизации. При этом добыча и производство энергоресурсов существенно, в несколько раз, превышает конечное потребление энергии. Это объясняется не столько недостатками существующих энергетических технологий, сколько фундаментальными ограничениями, связанными с самой природой процессов преобразования энергии. Основные стадии преобразования энергии органического топлива в электроэнергию следующие. Химическая энергия топлива в процессе горения преобразуется во внутреннюю энергию водяного пара, затем в процессе расширения пара его внутренняя энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. Далее полученная в турбогенераторе электрическая энергия после трансформации и передачи по сетям будет потреблена у потребителя.

Такие стадии присутствуют во многих типах энергетических установок. Закономерности преобразования энергии являются предметом термодинамики. Эта область науки сложилась еще в XIX веке. Но основные ее законы составляют фундаментальные основы современных научных знаний. Для количественного сравнения различных способов преобразования энергии простейшим критерием служит коэффициент полезного действия, рассчитанной по формуле

где W - совершаемая полезная работа;

Е - затрачиваемая энергия.

Коэффициент полезного действия действующих энергетических установок отличается весьма значительно. Так КПД тепловой конденсационной электростанции (КЭС) составляет около 40 %, теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - 60 %, а дизельной электростанции ДЭС – 20 %.

Простейшей моделью энергетической установки может служить схема, представленная на рис. 3.1.

В такой простейшей системе совершаются три основных процесса над рабочим телом: испарение, расширение, конденсация.

Стрелки, связывающие эти три процесса, показывают направление движения рабочего тела. Подводимая к системе энергия в виде сжигаемого топлива расходуется на испарение рабочего тела (воды). В точке В рабочим телом является пар с высокими температурой и давлением. Затем рабочее тело расширяется, вызывая вращение ротора турбогенератора, производя электрическую энергию.

В точке С рабочее тело представляет собой пар, который имеет низкую температуру и очень низкое давление. В конденсаторе рабочее тело вновь переводится в жидкое состояние. Энергия, которую необходимо вывести из системы для конденсации пара, обычно отбирается охлаждающей циркуляционной водой. Возврат рабочего тела в парогенератор осуществляется питательным насосом. Количество подводимой к системе энергии в сумме равно количеству отводимой энергии и совершаемой работы. Для изменения агрегатного состояния рабочего тела, его испарения или конденсации необходимо подвести или отвести определенное количество энергии. А рабочее тело обладает свойством запасать энергию. Если изменение внутреннего состояния рабочего тела характеризовать количеством запасенной им энергии DЕ, то математическое выражение первого начала термодинамики - закона сохранения энергии для системы, которая обменивается с внешней средой энергией в форме теплоты и работы W, выражается так:

Q = DЕ + W,

где Q - теплота системы.

Коэффициент полезного действия энергетической установки всегда меньше единицы. При h = 1 вся подводимая к системе энергия превращается в работу. Практически получить такой коэффициент полезного действия можно, но только не в циклическом процессе. Примером может служить изотермическое расширение газа. Оно может идти лишь до того момента, пока давление не станет равным атмосферному. Но циклическую последовательность процессов, для которой Q=W, DЕ=О осуществить невозможно, хотя первому закону термодинамики это не противоречит. Это противоречит второму началу термодинамики: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы только к превращению теплоты, получаемой от источника, в работу.

Отвод определенного количества теплоты от рабочего тела к холодному источнику является необходимым условием осуществления цикла теплового двигателя. Работа в цикле равна разности подводимого и отводимого количества теплоты:

W = Q₁ - Q₂,

Максимально возможный коэффициент полезного действия цикла энергетической установки в идеализированном случае определяется соотношением температур горячего Т₁ и холодного Т₂ источников:

Такая идеальная энергетическая установка носит название тепловой машины Карно. Работает эта машина следующим образом:

· рабочее тело адиабатически сжимается, температура растет до Т₁;

· рабочее тело изотермически расширяется, совершая работу W;

· рабочее тело адиабатически расширяется пока температура не снизится до Т₂;

· рабочее тело изотермически сжимается до тех пор, пока его внутренняя энергия не примет первоначальное значение, сбрасывая в холодный источник DЕ.

Известно, что никакая другая машина не может иметь больший коэффициент полезного действия при тех же диапазонах температур. Значения h = 100 % соответствует условию: Т₂ = 0, что принципиально не может быть достигнуто.

Реальные термодинамические циклы, используемые в реальных тепловых двигателях, - двигателях внутреннего сгорания (циклы Отто, Дизеля, Ванкеля), паровые и газовые турбины (циклы Ренкина, Брайтона), холодильные машины и тепловые насосы могут весьма существенно отличаться своими массогабаритными характеристиками, экологическими и другими качественными свойствами. Однако экономические характеристики показывают степень их приближения к идеалу.

Таким образом, процессы преобразования энергии всегда связаны с ее потерями. При этом значительная часть потерь определяется фундаментальными законами природы и, по сути, определяет технологический расход энергии в процессах ее преобразования. Другая часть потерь энергии связана с отклонениями реальных технологических процессов от идеала. Наконец, оставшаяся часть потерь определяется неправильной работой технологических установок, неверной настройкой технологического режима, холостыми пробегами оборудования, неэкономичной загрузкой или плохой изоляцией. Именно в этой последней части следует в первую очередь искать наиболее эффективные решения по энергосбережению.

Применительно к электрической части энергетической установки, комплекса или системы повышение эффективности использования энергии чаще всего состоит в снижении потерь электроэнергии. Если на участке сети напряжение U с активным сопротивлением R протекает активная мощность P и реактивная Q, то потери электроэнергии DА определяются так:

,где - время максимальных потерь.

Сразу становятся очевидными меры по снижению потерь в сетях:

· компенсация реактивной мощности;

· повышение уровня напряжения сети;

· увеличение сечения проводов для снижения сопротивления;

· уменьшение дальности передачи - снижение сопротивления;

· снижение времени потерь;

· снижение максимума нагрузки.

Наиболее полное представление о состоянии добычи, производство, передачи и потребления энергоресурсов дает анализ баланса энергоресурсов. Баланс может быть составлен для любой энергоиспользующей установки, предприятия, территории, области, страны. Составление баланса энергии заключается в измерении и расчете потоков энергии по источникам и направлениям использования. Анализ баланса позволяет сопоставить полезное использование энергоресурсов и потери. Структурирование баланса обычно производится по видам используемых энергоресурсов, по энергоиспользующему оборудованию, по цехам, корпусам, производством, участкам, видам преобразованной энергии, видам продукции и т.п.

Баланс энергоресурсов в данном случае позволяет получить отчетливое представление об эффективности их использования. Так, полный коэффициент полезного использования энергоресурсов составляет.

Коэффициент использования энергоресурсов в потребительском комплексе (промышленность, транспорт, агропром, комбыт) равен.

Коэффициент полезного использования энергии в энергетическом комплексе области (электростанции и котельные) составляет.

Составление баланса энергоресурсов основывается на достоверном сборе информации о потоках энергии и их измерениях.