Учебное пособие 800429

УДК 621.3

Д.В. Рубахина, В.Ю. Шабельская – студенты, Д.А. Прутских, канд. техн. наук – научный руководитель

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Из года в год проблемы энергосбережения и экологии становятся все актуальнее для современного общества. Природные ресурсы непрерывно дорожают, растет стоимость на электроэнергию и тепло, а экология на планете лишь ухудшается. Неудивительно, что современные люди, желающие жить в хорошей экологической обстановке, все чаще начинают задумываться и ценить экологически чистые материалы: чистый воздух и воду, натуральные продукты питания и здоровую экологию вокруг себя

Ключевые слова: энергосбережение, экология, вторичные энергоресурсы

В современном мире интенсивное внедрение технологий, сохраняющих энергию, приводит к значительному уменьшению расходов на электричество, что в свою очередь сокращает плохое влияние на окружающую нас среду. Новыми источниками энергии, которые позволили бы заменить существующие, являются энергия солнца, ветра, вод, термоядерного синтеза и других источников.

Солнце как источник тепловой энергии – это практически неисчерпаемый источник энергии. Ее можно использовать прямо, при помощи улавливания техническими устройствами, или через продукты фотосинтеза: круговорот воды, перемещение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии при помощи различного вида коллекторов. В простейшем виде это поверхности темного цвета, используемые для улавливания, накопления и удержания тепла. Оба блока могут представлять единое целое. Коллекторы помещаются в прозрачную камеру, которая функционирует по принципу парника. Имеются также устройства для уменьшения рассеивания энергии (хорошая изоляция) и ее отведения, к примеру, потоками воздуха или же воды.

Еще более просты нагревательные системы пассивного типа. Циркуляция теплоносителей здесь осуществляется в результате конвекционных токов: нагретый воздух или вода поднимаются вверх, а их место занимают более охлажденные теплоносители.

81

Примером подобной системы может служить помещение с обширными окнами, обращенными к солнцу, и хорошими изоляционными свойствами материалов, способными длительно удерживать тепло. Для уменьшения перегрева днем и теплоотдачи ночью применяются шторы, жалюзи, козырьки и иные защитные приспособления. В данном случае проблема наиболее рационального применения солнечной энергии решается через правильное проектирование зданий. Некоторое удорожание строительства перекрывается эффектом использования дешевой и идеально чистой энергии.

Преобразование солнечной энергии в электрическую возможно при помощи применения фотоэлементов, в которых солнечная энергия индуцируется в электрический ток без использования дополнительных приборов. Хотя КПД этих устройств не слишком велик, но они выгодны медленной изнашиваемостью вследствие отсутствия каких-либо подвижных частей. Основные проблемы использования фотоэлементов связаны с их высокой стоимостью и занятием больших территорий для размещения.

Втех случаях, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно. В качестве примеров такого использования можно назвать калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи, небольшие оросительные системы и т.п.

Встранах с большим количеством солнечного излучения имеются проекты полной электрификации отдельных отраслей хозяйства, к примеру, сельского, за счет солнечной энергии. Получаемая этим методом энергия, тем более с учетом ее высочайшей экологичности, по стоимости оказывается более выгодной, чем энергия, получаемая классическими методами.

Второй путь преобразования солнечной энергии в электрическую связан с превращением воды в пар, который приводит в движение турбогенераторы. В этих случаях для энергонакопления наиболее часто используются энергобашни с большим количеством линз, концентрирующих солнечные лучи, а также специальные солнечные пруды. Сущность последних заключается в том, что они состоят из двух слоев воды: нижнего с высокой концентрацией солей и верхнего, представленного прозрачной пресной водой. Роль материала, накапливающего энергию, выполняет солевой раствор. Нагретая вода используется

82

для обогрева или превращения в пар жидкостей, кипящих при невысоких температурах.

Самый простой путь применения энергии фотосинтеза – прямое сжигание биомассы. В некоторых странах, не вступивших на путь промышленного развития, такой метод считается приоритетным. Более обоснованной является переработка биомассы в другие виды топлива, к примеру в биогаз или же этиловый спирт (). Первый является результатом анаэробного (без доступа кислорода), а второй аэробного (в кислородной среде) брожения.

Для России, где содержится большое количество древесины, особенно лиственных видов (береза, осина), считай, не используется (не вырубается или же оставляется на лесосеках). Наиболее перспективным считается получение спирта из данной биомассы по технологиям, в основе которых лежит гидролиз. Большие резервы для получения спиртового горючего имеются также на базе отходов лесопильных и деревообрабатывающих предприятий.

Ветер, как и движущаяся вода, считаются наиболее древними источниками энергии. На протяжении нескольких веков эти источники использовались как механические на мельницах, пилорамах, в системах подачи воды к местам пользования и т.п. Они же применялись и для получения электрической энергии, хотя доля ветра в этом отношении оставалась в высшей степени малозначительной.

Интерес к применению ветра для получения электроэнергии оживился в последнее время. К настоящему времени испытаны ветродвигатели различной мощности, вплоть до гигантских. Сделаны выводы, что в районах с активным перемещением воздуха ветроустановки вполне могут обеспечивать энергией местные потребности. Оправдано применение ветротурбин для обслуживания отдельных объектов (жилых домов, неэнергоемких производств и т.п.). Вместе с тем стало очевидным, что огромные ветроустановки пока не оправдывают себя вследствие дороговизны сооружений, сильных вибраций, шумов, а также быстрого выхода из строя. Наиболее экономичны комплексы из маленьких ветротурбин, соединенных в единую систему.

Гидроресурсы продолжают оставаться необходимым потенциальным источником энергии, если соблюдать условие применения более экологичных, нежели современных способов ее получения. К примеру, очень мало используются энергетические

83

ресурсы средних и малых рек (протяженность от 10 до 200 км). В прошлом именно малые и средние реки считались важным источником получения энергии. Маленькие плотины на реках не столько нарушают, сколько улучшают гидрологический режим речек и прилежащих территорий. Их можно рассматривать как пример экологически обусловленного природопользования, мягкого вмешательства в природные процессы. Водохранилища, создававшиеся на небольших речках, как правило, не выходили за пределы русел. Такие водохранилища гасят колебания воды в реках и стабилизируют уровни грунтовых вод под прилежащими пойменными землями. Это благоприятно сказывается на продуктивности и устойчивости как водных, так и пойменных экосистем.

Имеются расчеты, что на маленьких и средних реках возможно получать не менее энергии, чем ее получают на передовых крупных ГЭС. В настоящее время есть турбины, позволяющие получать энергию, используя естественное течение рек, без строительства плотин. Эти турбины просто устанавливаются на реках и при надобности передвигаются в другие места. Хотя стоимость получаемой на таких установках энергии заметно выше, чем на крупных ГЭС, ТЭС или же АЭС, но высочайшая экологичность делает целесообразным ее получение.

Гигантскими энергетическими ресурсами владеют водные массы морей и океанов. К ним относится энергия приливов и отливов, морских течений, а еще градиентов температур на всевозможных глубинах. В настоящее время данная энергия применяется в крайне незначительном количестве из-за высокой стоимости получения. Это, впрочем, не значит, что и в дальнейшем

еедоля в энергобалансе не станет повышаться.

Вокеанических водах для получения энергии можно использовать разности температур на всевозможных глубинах. В теплых течениях, к примеру, в Гольфстриме, они достигают 20°С. В основе принципа лежит использование жидкостей, кипящих и конденсирующихся при маленьких разностях температур. Теплая вода поверхностных слоев применяется для превращения жидкости в пар, который крутит турбину, холодные глубинные массы – для конденсации пара в жидкость. Трудности связаны с громоздкостью сооружений и их дороговизной. Установки такого типа находятся пока же на стадии тестирований.

84

Несравнимо более реальны возможности использования геотермальных ресурсов. При таком варианте источником тепла являются подогретые воды, находящиеся в недрах земли. В отдельных районах эти воды изливаются на поверхность в виде гейзеров. Геотермальная энергия может использоваться как в виде тепловой, так и для получения электроэнергии.

Уже в настоящее время отдельные города или предприятия поддерживаются энергией геотермальных вод. Это, в частности, относится к столице Исландии – Рейкьявику. В начале 80-х годов в мире производилось на геотермальных электростанциях около 5000 МВт электроэнергии (примерно 5 АЭС). Из стран бывшего СССР

значительные ресурсы геотермальных вод имеются только в России на Камчатке, но используются они пока в маленьком объеме. В бывшем СССР за счет этого вида ресурсов производилось только около 20 МВт электроэнергии.

Современная атомная энергетика основывается на расщеплении ядер атомов на два более легких с выделением энергии пропорционально потере массы. Источником энергии и продуктами распада при этом являются радиоактивные элементы. С ними связаны главные экологические трудности ядерной энергетики.

Еще большее количество энергии выделяется в процессе ядерного синтеза, при котором два ядра соединяются в одно более тяжелое, но также с потерей массы и выделением энергии. Начальными элементами для синтеза является водород, конечным – гелий. Оба вещества не оказывают негативного воздействия на среду и практически неистощимы.

Не обращая внимания на некоторые положительные результаты по осуществлению контролируемого ядерного синтеза, высказываются мнения, что в ближайшей перспективе он вряд ли будет применен для решения энергетических и экологических задач. Это связано с нерешенностью многих вопросов и с необходимостью колоссальных расходов на последующие экспериментальные, а тем более промышленные разработки.

В заключение можно сделать вывод, что современный уровень знаний, и еще имеющиеся и находящиеся в стадии разработок технологии выделяют основание для оптимистических прогнозов: населению земли не угрожает тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания энергетических ресурсов, ни в плане порождаемых энергетикой экологических проблем. Есть реальные возможности

85

для перехода на альтернативные источники энергии (неисчерпаемые и экологически чистые). С данных позиций современные способы получения энергии возможно рассматривать как своего рода переходные. Вопрос заключается в том, какова длительность этого переходного периода и какие имеются возможности для его уменьшения.

Литература

1.Врублевский Б.И. Основы энергосбережения: учебно-методическое пособие / Б.И. Врублевский, С.Н. Лебедева, А.Б. Невзорова. – Гомель:

Развитие, 2011. – 81 с.

2.Самойлов М.В. Основы энергосбережения. Учебное пособие / М.В. Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

3.Кравченя Э.М. Охрана труда и основы энергосбережения / Э.М. Кравченя, Р.Н. Козел, И.П. Свирид. – Мн.: ТетраСистемс, 2004. – 288 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 66.067.8.081.3

М.В. Малеваный, В.А. Алексеева – магистранты, В.Г. Стогней, канд. техн. наук, проф. – научный руководитель

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМКНУТЫХ ЦИКЛОВ РЕГЕНЕРАЦИИ

ВБЛОКАХ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Вданной статье рассматривается принципиальная схема блока осушки природного газа и предлагается вариант усовершенствования схемы, позволяющий исключить потери газа регенерации

Ключевые слова: осушка, природный газ, регенерация, потери

Осушка газа обеспечивает непрерывную эксплуатацию оборудования и газопроводов, предотвращая гидратообразование и возникновение ледяных пробок в системах. Наиболее важные методы осушки газа основаны на абсорбции или адсорбции влаги

[1].

Сущность адсорбционной осушки состоит в избирательном поглощении поверхностью пор твердого адсорбента молекул воды с последующим извлечением их из пор внешними воздействиями

86

(повышением температуры адсорбента или снижением давления среды) [2].

Блок осушки газа КМЕВ63 (рис. 1) предназначен для обеспечения заданных параметров природного газа (давления, влажности, количества механических примесей), используемого в качестве рабочей среды в агрегатах автоматики фонтанной арматуры.

Рис.1. Схема пневмогидравлическая принципиальная

В состав блока входит следующее оборудование:

-адсорберы (8, 9);

-датчики температуры (20-25);

-измерительный преобразователь температуры и влажности

(14);

-конденсатосборник (6);

-манометры (10, 26, 27, 28);

-краны шаровые (1, 29, 30 ,31 ,32 ,4, 6);

87

-пневмораспределитель (7);

-фильтр (3);

-фильтры (33, 17, 11, 16, 34);

-регуляторы давления (13, 35);

-электромагнитные клапаны (18, 2, 35);

-клапаны обратные (36, 37, 38, 12, 39);

-клапаны игольчатые (19, 15);

-сигнализатор уровня пьезорезонансный (40);

-соединительные трубопроводы.

Опишем принцип работы блока. Через трехходовой шаровой кран 1, открытый на расход газа через блок, при выключенном электромагнитном клапане 2, газ поступает в фильтр 3, где осуществляется его предварительная очистка от механических примесей и капельной влаги. Отфильтрованная от газа влага самотеком переливается в конденсатосборник 5, проходя через открытый шаровой кран 4. Накопившаяся жидкость периодически удаляется из конденсатосборника 5 через шаровой кран 6 оператором при обслуживании блока. Далее газ поступает в пневмораспределитель 7, а из него − в адсорбер 8.

При включении электромагнитного клапана 2 газ поступает в адсорбер 9.

Адсорберы работают поочередно: один − в режиме осушки, другой − в режиме регенерации.

Врежиме осушки влажный газ при рабочем давлении (контроль по показаниям манометра 10) через пневмораспределитель 7 попадает в адсорбер 8, заполненный адсорбентом.

Проходя через адсорбент, влажный газ осушается. Далее через фильтр 11 и клапан обратный 12 поступает на потребление:

- по одной магистрали при давлении 3 МПа для питания агрегатов автоматики фонтанной арматуры;

- по другой магистрали, через регулятор давления 13, настроенный на выходное давление 0,7 МПа, для питания контрольно-измерительных приборов.

Влажность осушенного газа контролируется преобразователем температуры и влажности 14.

Врежиме регенерации, часть осушенного газа при давлении 0,15…0,25 МПа, поступает через клапан игольчатый 15 и фильтр 16

вадсорбер 9, который нагревается нагревательным элементом в виде ленты, навитой на его наружную поверхность. Осушенный газ

88

проходит через подогретый, насыщенный влагой адсорбент адсорбера, осушает его и, пройдя через фильтр тонкой очистки 17, пневмораспределитель 7 и открытый в данный момент электромагнитный клапан 18, выходит в атмосферу. Температура нагрева нагревательного элемента контролируется термопарой, установленной между нагревательным элементом и наружной поверхностью адсорбера. Расход газа регенерации регулируется клапанами игольчатыми 19 и 15.

Система управления (СУ) обеспечивает работу блока в автоматическом режиме.

Основным недостатком данного блока осушки является то, что после регенерации использованный газ регенерации и конденсат сбрасывается в атмосферу, что в значительной степени ухудшает экологию и приводит к потерям газа [3].

Данную проблему можно решить изложенным ниже способом

(рис. 2).

В предлагаемом способе в режиме регенерации часть осушенного газа при давлении 0,15…0,25 МПа, поступает через клапан игольчатый 15 и фильтр 16 в адсорбер 9, который нагревается нагревательным элементом в виде ленты, навитой на его наружную поверхность. Осушенный газ проходит через подогретый, насыщенный влагой адсорбент адсорбера, осушает его и, пройдя через фильтр тонкой очистки 17, пневмораспределитель 7 и, минуя электромагнитный клапан 18, поступает в теплообменник 41. Данный теплообменник представляет собой типовой агрегат воздушного охлаждения (АВО), где происходит охлаждение газа регенерации до заданной температуры, превышающей на 10…15°C температуру окружающей среды. Здесь же происходит первичный сбор конденсата в сепараторе, входящем в состав теплообменника АВО. Затем газ поступает в холодильник 42, где происходит дальнейшее понижение его температуры и вторичное выпадение конденсата. Охлажденный и осушенный газ поступает на вход компрессора 43 и далее сухой газ возвращается на вход блока.

89