3.4.3. Сравнение способов регулирования

1. При регулировании степенью открытия крана (рабочая точка располагается на исходной характеристике насоса):

Q =2810^-3 м³/с, H=60м, =0,85 .

2. При регулировании оборотами (рабочая точка располагается на исходной характеристике сети):

Q =2810^-3 м³/с, H=42м, =0,55 .

Определяем мощность приводного двигателя.

• При регулировании степенью открытия крана:

N = 10209,86028,010^-3 /0,85 = 20кВт

• При регулировании оборотами:

N = 8789,84070,410^-3 /0,85 = 11кВт

При регулировании оборотами снижение мощности составляет:

N/N =(20 - 11)/ 20=0,18 = 18%.

ВЫВОДЫ

1. Определена рабочая точка насоса НЦВ-63/100А при его работе в заданную гидравлическую сеть. Её параметры: Q=3410^-3 м³/с, H=40м,  = 0,58.

2. Определен минимальный диаметр всасывающего трубопровода из условия бескавитационной работы. Он равен 33010^-3 м. Поскольку этот диаметр больше заданного (100мм), диаметр всасывающего трубопровода увеличен до 355,6мм (ближайший больший по ГОСТу).

3. Определена рабочая точка насоса при условии отсутствия кавитации. Её параметры: Q=3510^-3 м³/с, H=38м,  = 0,55.

4. Определена степень открытия крана, равная 0,16, при которой расход в системе будет равен 0,8Q.

5. Определены обороты двигателя, равные 2619,4 об/мин., при которых расход в системе будет равен 0,8Q .

6. Сравнение показало, что при регулировании оборотами выигрыш в мощности составляет 18 %.

4.Специальная часть

Энергия является одним из основных источников поддержания жизнедеятельности и обеспечения всё возрастающих потребностей человека. Но, к сожалению, в нынешнее время мы сталкиваемся с проблемой энергетического кризиса, который влечет за собой ряд других экологических и экономических проблем. На протяжении многих лет использование различных видов энергии в мире увеличивается стремительными темпами. Учёные оценивают запасы угля в мире примерно на 350 лет, газа на 60 лет, а нефть, по их мнению, может закончится уже через 40 лет.

К 2020 г. европейские страны планируют обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70 % жилищного фонда. Также страны ЕС намерены к 2015 г. на 50 % обеспечиваться энергией за счет возобновляемых источников.

Резкий скачок цен на энергоносители в начале ХХI века объясняется ограниченностью запасов ископаемого топлива. Таким образом, возрастает роль использования альтернативных и возобновляемых источников энергии.

Энергетика будущего таким образом в последующем своем развитии должна решить три основных задачи:

- экономное использование невозобновляемых энергоресурсов

(энергоресурсосбережение);

- эффективное использование энергии (с целью уменьшения потерь в процессе генерации, трансформации, передачи и потребления);

-увеличение использования возобновляемых (альтернативных) энергоресурсов и стимулирование поиска новых источников энергии (развитие исследований по водородной энергетике и др).

Решение этих глобальных задач преследует три основные цели новой энергетической политики, сформулированные как:

-минимизация риска;

- защита климата;

-устойчивое развитие.

Одним из основных преимуществ возобновляемой нетрадиционной энергетики является уменьшение негативного воздействия на окружающую среду в сравнении с традиционными источниками энергии, при этом каждый вид источников оказывает на нее различное как прямое, так и косвенное влияние.

При использовании возобновляемых нетрадиционных источников энергии снижаются выбросы различных загрязняющих веществ, в том числе парниковых газов, по сравнению с традиционными источниками энергии. ВИЭ могут также играть роль в уменьшении местного загрязнения атмосферы, улучшая качество воздуха в городах и зонах отдыха.

Например в Великобритании, имеют значения, г/(кВт·ч): для установок на угле СО2 – 955; SО2 – 11,8; NОх – 4,3; для установок на нефти – соответственно 818; 14,2; 4,0; для установок на газе – 430; 0; 0,5; для установок на дизельном топливе – 772; 1,6; 12,3.

Гелиоэнергетика. Собранная гелиоэнергетическими устройствами солнечная радиация заменяет энергию, которая производится с помощью грязных относительно окружающей среды технологий. В этом и состоит главный экологический эффект солнечной энергетики.

Наземные солнечные электростанции, в которых преобразование энергии связано с концентрацией солнечного излучения, требуют отведения значительных территорий. Так, в среднем на 1 МВт башенной солнечной электростанции для следящих гелиостатов необходима площадь около 0,035 км2. В целом площадь, требуемая для солнечных электростанций, на 1 МВт мощности, составляет по разным странам мира 0,001–0,008 км2.

Что касается солнечных коллекторов, то они обычно устанавливаются на крышах домов и не влияют на пейзаж и состояние атмосферы данной местности, к тому же они не занимают дополнительно земельных площадей.

Вакуумные солнечные коллекторы поглощают солнечную энергию, превращая ее в тепловую энергию. За счет солнечной энергии эта система способна обеспечить от 70 до 100% ежедневной потребности в ГВС для бытовых целей и существенно снизить расходы (30-100%) на отопление помещений. За счет вакуума потери тепла в атмосферу минимальные.

Рис.17 Трубчатые солнечные коллекторы

Преимущества вакуумных трубчатых солнечных коллекторов:

-возможность эксплуатации в любое время года.

-возможность работы в регионах с умеренным климатом, в том числе, в зимний период при низких температурах;

-достаточно высокая эффективность солнечного коллектора при низкой интенсивности солнечного излучения, а также при диффузионном излучении (отсутствии прямых солнечных лучей).

Солнечные коллекторы используются:

-для обеспечения горячего водоснабжения в домах и на дачах, в гостиницах, санаториях, пансионатах, спортивных комплексах, учреждениях общественного питания, турбазах, производственных, сельскохозяйственных и других объектах;

-для подогрева воды в бассейнах;

-в устройствах теплого пола.

Место установки солнечного коллектора:

-крыша дома и других строений (плоская или скатная);

-балконы, архитектурные выступы здания;

-земля (открытая для солнца местность).

Рис.18 Солнечная сплит-система

Солнечная сплит-система состоит из:

-солнечного коллектора с вакуумными трубками, внутри которых находится медный нагревательный элемент;

-рабочей станции, которая включает в себя циркуляционный насос, контроллер, расширительный бак, манометр, датчик и т.д.;

-бака для воды с двумя теплообменниками.

Количество вырабатываемой солнечным коллектором тепловой энергии зависит от целого ряда факторов. К подающимся изменению относят: угол наклона относительно горизонтали и ориентация установки к сторонам света. Критерием ориентации является азимут.

Угол наклона - это угол между горизонталью и солнечной батареей. При установке на скатной крыше угол наклона задается скатом кровли. Наибольшее количество энергии воспринимается панелью коллектора при расположении его плоскости под прямым углом к направлению инсоляции. Поскольку угол инсоляции зависит от времени суток и года, ориентацию плоскости коллектора следует выполнять в соответствии с высотой Солнца в период поступления наибольшего количества солнечной энергии.

Основное вредное влияние гелиоустановок на окружающую среду косвенное и обусловлено технологическими процессами, связанными с производством новых соединений для гелиоустановок. Во многих случаях это требует редкоземельных элементов, которые содержатся в очень малых концентрациях в земных породах и для их добычи необходимо переработать значительное количество таких пород.

Гелиоустановки не влияют на природный тепловой режим планеты, так как берут очень небольшую часть солнечной энергии, но и она после преобразования в электрическую энергию и ее использования возвращается в окружающую среду в виде теплоты.

Ветроэнергетика. Ветроустановки вырабатывают электрическую энергию практически без загрязнения окружающей среды, но при этом их отрицательное влияние связано с отведением под строительство значительных территорий и изменением ландшафта, шумовыми эффектами, препятствием распространению радиосигналов, вибрационным действием, угрозой гибели птиц, металлоемкостью ветроустановок, что обуславливает загрязнения при производстве металла.

Основным недостатком ветроэнергетических станций является использование под строительство ВЭС значительных земельных ресурсов. Под мощные промышленные ВЭС необходима площадь из расчета от 5 до 15 км 2 /МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с 1 км 2 площади, зависит от района установки ВЭС, типа станции и технологических особенностей конструкции; среднее значение получаемой мощности равно примерно 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь в 70–200 км 2, хотя большая часть этих земель может быть использованной. Сами ВЭС занимают только 1% всей территории, на 99% остальной можно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью, что осуществляется в таких густонаселенных странах, как Дания, Нидерланды, Германия.

Один из недостатков таких ВЭС – неприятные звуки, вызванные вращением лопастей ротора. Люди жаловались, что нередко при приближении к электростанции они начинали испытывать дискомфорт и иногда даже приступы немотивированного страха. Животные и птицы предпочитали сразу покидать зоны, застроенные ВЭС, а перелетные птицы уклонялись от маршрута и делали крюк в несколько километров, чтобы их облететь.

Особую экологическую проблему представляют шумовые влияния ветроагрегатов мощностью 250 кВт и выше. Проблема генерации ВЭУ ультразвука была преодолена путем выбора профиля лопасти и скорости вращения ветроколеса, а точнее концов лопасти ветроколеса.

Результаты испытаний в Дании, а также анализ информации по эксплуатации примерно 50 типов ВЭУ, имеющихся в европейском каталоге ветровых турбин, показали, что большинство современных ветроустановок в непосредственной близости от места их установки генерируют при скорости ветра 10 м/с шум около 95–103 дБ, что отвечает уровню шума на обычном промышленном предприятии. Однако уже на расстоянии 100 м от ВЭУ уровень шума уменьшается до 50 дБ, а на расстоянии 300 м составляет менее 40 дБ; на большем отдалении работа ветроустановки едва прослушивается на фоне шума окружающей среды. Исходя из этого, в Германии, Нидерландах, Дании и других странах приняты законы, которые устанавливают, что минимальное расстояние от ВЭУ до жилья должно быть не менее 300 м. В Украине принято, что допустимое расстояние от ветроагрегата до жилья должно быть равным 150 м, от ветроэлектростанции до жилья – 250 м. Отрицательное влияние ВЭС может быть устранено при расположении ветроустановок на мелководье в море.

Крупнейшая в мире зона ветряных электростанций на морском шельфе «Хорнс Риф» (Дания) вступила в строй в 2007 году. Используя силу ветра, мощные турбины, расположенные в Северном море в 20 км от города Эсбьерг, способны бесперебойно снабжать электричеством примерно 150 тыс. домов. Имеющиеся в стране 5,2 тыс. ВЭУ уже сейчас обеспечивают 20% ее потребностей в электроэнергии. К 2025 году планируется довести этот показатель до 50–75%.

Рис.19 Зона ветроэлектростанций на морском шельфе «Хорнс Риф» (Дания)

Для Украины в первую очередь это незамерзающее мелководье (глубины преимущественно 0,5 м при максимуме 3,2 м) залива Сиваш, составляющее порядка 2700 км 2 и незадействованное в хозяйственном использовании; к тому же значительная часть площади залива длительный период времени (по 2–3 месяца), особенно летом, стоит без воды.

Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы телезрителей из ближайших населенных пунктов. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражал и не поглощал радиоволны.

Для уменьшения влияния ВЭС на радио и телевизионные передачи их лопасти вместо металлических (отражают радио и телесигналы) и деревянных (поглощают сигналы) стали изготавливать из стекловолокна без металлических включений, и поэтому они полупрозрачны для прохождения радио и телесигналов. Однако если передача радио и телесигналов осуществляется через спутник, проблема отпадает автоматически.

При увеличении высоты башни до 100 м и размеров лопастей до 40–60 м стал острым вопрос защиты лопастей от молнии. Для решения этой проблемы в середину лопастей стали закладывать алюминиевые проводники значительного сечения, по которым ток во время удара молнии протекает в землю. Такие лопасти становятся своего рода зеркалами для прохождения радиои телесигналов, особенно это касается сигналов военных радаров. В результате в Великобритании усилились требования относительно ограничения строительства мощных ВЭС вдоль побережья. В Норвегии, по оценкам экспертов, учет этих требований военных может привести к снижению потенциальных ветроэнергоресурсов на 50%.

Результаты оценки влияния ВЭУ на гибель птиц, которая проведена в Нидерландах, показывает, что смертность птиц от ВЭС мощностью 1000 МВт в 300 раз ниже, чем от двигающихся автомобилей, и в 50 раз ниже, чем от линий электропередачи. Этому содействует также переход к более мощным ветроагрегатам и уменьшению частоты их вращения. Если частота вращения ротора агрегата при мощности до 100 кВт достигает 300–450 об/мин, то для ВЭУ мощностью 1–2 МВт – от 10 до 30 об/мин, а при мощностях 3–4,5 МВт – 8–14 об/мин.

Биоэнергетика. Прямое использование биомассы для получения энергии является более экологически безопасным, чем, например, угля. При сжигании биомассы выделяется меньше 0,2% серы и от 3 до 5% золы в сравнении с 2–3 и 10–15% соответственно для угля, остальное преимущественно углекислый газ. Кроме того, зола биомассы может вернуться в грунт, что обеспечивает замкнутость кругооборота биогенных элементов. С точки зрения учета углекислого газа биомасса является практически нейтральной, то есть в период роста растения поглощают солнечную энергию, воду, углекислый газ, выделяют кислород и образовывают углерод в процессе фотосинтеза; во время сжигания процесс идет в обратном направлении: кислород поглощается, а теплота, вода и углекислый газ выделяются. В этом процессе количество поглощенного и выделенного углекислого газа абсолютно одинаково. В процессе образования 1 кг сухой биомассы (древесины) поглощается 1,83 кг СО 2 и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). Что касается нефти, угля и газа, то наблюдается та же закономерность для СО 2, но время, необходимое для обновления баланса СО 2, достигает несколько миллионов лет. Средняя теплота прямого сгорания биомассы составляет 7–9 МДж/кг.

В настоящее время признано, что все технологии энергетического использования биомассы не увеличивают эмиссию СО 2, а предотвращают эмиссию в объеме вырабатываемой электрической и тепловой энергии.

Газификация биомассы является более эффективным способом ее использования. При воздушной газификации получается генераторный газ с теплотой сгорания порядка 4–6 МДж/м 3, газификация с использованием кислорода дает газ высшего качества с теплотой сгорания 10–18 МДж/м 3. Газ, который получают в результате газификации древесины при воздушном окислителе, содержит: азота – 50–54%, оксида углерода – 20–22%, водорода – 12–15%, диоксида углерода – 9–12%, метана – 2–3%. Еще больший эффект получается при газификации в кипящем слое, в циркулирующем кипящем слое, в потоке, газификации в двух реакторах кипящего слоя и др.

При пиролизе биомассы образуются несконденсированные газы СО, СО 2, Н 2, СН 4, С 2 Н 4, содержание которых зависит от вида биомассы и режима термической обработки. Выход несконденсированного пиролизного газа может достигать 70% сухой биомассы, а теплота сгорания – 12,5–13,3 МДж/м 3. В состав жидких продуктов пиролиза входят разные вещества: кислоты, спирты, ацетон, формальдегид, вода и др. Он зависит от вида и качества биомассы и условий процесса; теплота сгорания жидких продуктов достигает 20–25 МДж/кг. Коксовый остаток пиролиза имеет около 95–97% углерода, а выход его может достигать 25–30% сухой биомассы, теплотворная способность остатка составляет до 35 МДж/кг.

При метановом брожении полученный биогаз содержит 60–70% метана, 30–40% углекислого газа, небольшое количество сероводорода, а также смесь водорода, аммиака и оксида азота, теплота сгорания биомассы составляет 22–26 МДж/кг. Остаток, образующийся в процессе метанового брожения, содержит значительное количество живительных веществ (особенно азота) и может быть использован как превосходное удобрение.

Производство и использование жидкого топлива из биомассы не только содействует повышению энергетической безопасности государства, но и улучшению экологической ситуации.

Топливный этанол, полученный из биомассы, как добавка к бензину позволяет повысить октановое число и улучшить эксплуатационные смеси, при содержании этанола в бензине до 15% не требуются изменения конструкций современных двигателей внутреннего сгорания. Во время работы на смеси бензина с этанолом содержание СО 2 в выхлопных газах уменьшается на 25%, а углеводородов и NО х – на 5%, что является особенно важным для снижения загрязнения окружающей среды в крупных городах со значительным использованием автомобильного транспорта.

Биодизельное топливо (биодизель) –продукт переработки растительных масел (рапсового, подсолнечного, пальмового). Биодизельное топливо для автомобильного транспорта на основе рапсового масла имеет такие преимущества в сравнении с топливом из нефти:

не влияет на парниковый эффект, так как рапс, как и вся биомасса, является нейтральнім относительно СО 2 ;

образует меньшую концентрацию вредных веществ в выхлопных газах (концентрация СО, углеводородов и твердых частиц уменьшается на 25–50%, задымленность газов – вдвое);

не содержит канцерогенных веществ (полициклических ароматических углеводов, особенно бензпирена);

для сгорания требует меньшее количество воздуха;

имеет высокую степень биологического разложения (за 21 день биологическое разложение его составляет около 90%).

В то же время недостатками биодизельного топлива в сравнении с топливом из нефти являются меньшая теплота сгорания, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению мощности двигателя на 16%; большая вязкость рапсового масла, ухудшающая распыливание, смесеобразование и сгорание в дизеле; необходимость частой замены масляных фильтров и проведения регламентных работ на форсунках вследствие сильного закоксовывания отверстий распылителей.

Увеличение производства биомассы улучшает микроклимат благодаря использованию воды и рециркуляционных механизмов. Производство и применение компостов из биомассы улучшает структуру грунта и снижает загрязнение вод.

Ряд технологий получения биогаза на свалках, из отходов животноводчества, из отходов пищевой промышленности, по сути являются природоохранными, так как предотвращают загрязнение воды, почвы и воздуха этими отходами.

Таким образом, для снижения выбросов токсических веществ в атмосферу и повышения энерго-экологической эффективности теплоэнергетики реализуются несколько направлений, среди которых можно выделить выполнение природоохранных мероприятий; использование мероприятий по энергосбережению; внедрение экологического мониторинга; стимулирование развития научных исследований и практического применения новейших научных достижений и научно-технических разработок.

Литература

1. Михайлин A.A., Лепешкин A.B., Фатеев И.В. Конспект лекций по курсу «Гидравлика, гидромашины и гидро­приводы». Под ред. Беленкова Ю.А. - МГТУ "МАМИ", Москва, 1998. – 68с.

2. Раинкина Л.Н. Гидромеханические расчеты трубопроводных систем с насосной подачей жидкости.- Ухта: УИИ, 1997.- 79с.

3. Вильнер Я- М., Ковалев Я. Т., Некрасов Б. Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. Под ред. Б. Б. Некрасова. - «Вышэйш. школа», Минск 1976. – 416 с.

4. Рабинович Е.З., Евгеньев А.Е. Гидравлика.- M.: Недра, 1987.-234с.