3. Тепломассообменные процессы

1. Высокотемпературные процессы

Анализ состояния парка нагревательных и термических печей на примере машиностроительных предприятий показывает, что тепло­вой коэффициент полезного действия газопламенных нагреватель­ных и термических печей крайне низок и лежит в диапазоне от 5-15 %. Установлено, что при потенциале энергосбережения около 30 %, одним из узких мест в энергопотреблении в промышленности являются нагревательные и термические печи, а также обжиговые и сушильные агрегаты, отапливаемые природным газом или исполь­зующие электроэнергию. При этом около 90 % печей используют природный газ, а износ основного технологического оборудования

составляет 70-80 % [27].

2. Среднетемпературные процессы

Среднетемпературные процессы - это процессы приготовления пищи, плавления, приготовления горячей асфальтобетонной смеси, обжига, получения цемента и т.д.

2.1. Приготовление пищи

Человек традиционно с первобытнообщинного строя использует топливо для приготовления пищи и для обогрева жилища. В на­стоящее время для приготовления пищи используется тепловая энергия топлива (твердого, жидкого, газообразного), водяного на­сыщенного пара, электрического тока. Создано большое разнообра­зие печей. В процессе приготовления пищи продукты подвергаются тепловой обработке. Под действием тепла клетчатка набухает, раз­мягчается, жиры плавятся и т.д. Основными видами тепловой обра­ботки продуктов являются варка и жарение.

112

В настоящее время все большее распространение получает теп­ловое оборудование с электрическим обогревом. К преимуществам его по сравнению с оборудованием на огневом и газовом обогреве относятся: более высокий к.п.д., простота включения и регулирова­ния, возможность специализации аппаратов (для приготовления коже, для жарки во фритюре и т.д.). Для преобразования электри­ческой энергии в тепловую наиболее широко применяются нагре­вательные элементы с активным сопротивлением. Для изготовле­ния металлических спиралей используются сплавы из никеля и хрома (нихром). Эти сплавы обладают высокой удельной темпера­турой (1000-1100 С). Такая большая предельная рабочая темпера­тура обеспечивает длительную работу нагревательных элементов при температуре 600-1000 С в конфорках, жарочных шкафах и т.д.

В последнее время широкое распространение получили СВЧ пе­чи со сверхвысокочастотным нагревом. Благодаря своей конструк­ции продукт в них нагревается по всему объему. Удельный расход энергии на нагрев у них намного ниже, чем при традиционных спо­собах нагрева.

2.2. Приготовление асфальтобетонной смеси (АБС) Основное количество энергии (около 71 %) расходуется непо­средственно с дымовыми газами при генерации сушильного агента с температурой до 500 С в сушильно-нагревательном барабане пу­тем прямого сжигания топлива [28]. Остальные около 19 % в би­тумном переделе в виде тепловой энергии пара или с высокотемпе­ратурным органическим теплоносителем. Оставшиеся 10 % энергии потребляются в электрической форме на привод механизмов. Тем­пература тепловой обработки компонентов АБС не превышает 200 °С .

3. Низкотемпературные процессы

Низкотемпературные процессы (диапазон температур от -150 до +150 С ) широко представлены в коммунально-бытовом секторе, в перерабатывающей и пищевой промышленности, сельхозпроизвод-стве и т.д. Это процессы отопления, горячего водоснабжения, суш­ки, выпарки, дистилляции, охлаждения, замораживания и т.д.

3.1. Системы отопления и горячего водоснабжения Традиционно человек использовал топливо для обогрева жили- ща. С настоящее время создан большой диапазон обогревательных устройств, печей и т.д. Для человека благоприятен такой теплооб- мен, когда организм отдает тепло в основном за счет конвекции, что имеет место при превышении температуры поверхности ограж- дающих конструкций над температурой воздуха. Такие условия создаются при помощи систем лучистого (инфракрасного обогре- ва). Инфракрасные излучатели устанавливаются в верхней зоне по- мещения. Поток лучистой энергии поглощается ограждающими конструкциями и находящимися в помещении предметами и на- гревает их. Таким образом, температура ограждающих конструк- ций, в том числе и пола, становится выше температуры воздуха, и температурное поле становится более равномерным по объему. При использовании лучистого обогрева комфортные условия достига- ются при более низкой температуре воздуха по сравнению с нор- мируемой температурой для систем конвективного отопления [29].

3.2. Системы охлаждения и замораживания

За последние 30-40 лет заметно выросло энергопотребление низкотемпературной техникой: холодильным оборудованием, кон­диционерами и т.д. К настоящему времени оно достигло 25 % всей вырабатываемой электроэнергии.

На этапе проектирования систем холодоснабжения необходимо учитывать не только особенности технологического процесса для которого используется холод, но и также представлять возможные пути повышения эффективности работы холодильной техники.

Существует следующие способы повышения энергоэффективно­сти холодильной техники:

1) на стороне испарителя (сторона низкого давления) Потенциал энергосбережения составляет до 20 % на стороне

низкого давления в результате:

повышения проектной температуры испарения;

учета потребляемой мощности вентиляторов;

учета энергии, необходимой на оттаивание.

2) на стороне конденсатора (сторона высокого давления) Потенциал энергосбережения составляет до 35 % на стороне вы- сокого давления в результате:

снижения проектной температуры конденсации;

учета класса энергетической эффективности;

снижения минимальной температуры конденсации;

• применения PI-регулирования температуры в холодильной камере с незначительной погрешностью.

Частотное регулирование производительности компрессора, вентиляторов конденсатора, испарителя, насосов вторичного кон­тура охладителя является существенным фактором энергосбереже­ния. Процент энергосбережения может меняться в зависимости от типа нагрузки и правильности подбора всех компонентов холо­дильной установки. Для однокомпрессорной холодильной установ­ки экономия энергии может составлять 15-20 %. Энергосбережение достигается за счет работы при более высоком, чем при традицион­ной схеме, давлении кипения и меньшем давлении конденсации. Постоянное и более высокое давление кипения позволяет поддер­живать более высокую температуру и более высокую относитель­ную влажность в охлаждаемом объеме, что уменьшает усушку про­дукта и увеличивает срок его хранения. Возможность работы при частотах питания более 50 Гц позволяет увеличить производитель­ность компрессора при пиковых нагрузках. Частотный преобразо­ватель позволяет осуществлять плавный пуск компрессора и сни­зить количество этих пусков. Меньшее число пусков и остановов компрессора позволяет повысить его ресурс. При необходимости точного поддержания давления кипения достаточно использовать один компрессор с изменяемой частотой вращения. При этом ком­прессор должен быть подобран таким образом, чтобы разница про-изводительностей при максимальной и минимальной частоте вра­щения ротора была бы больше производительности ступенчато включаемого компрессора.

Для полноценного регулирования производительности холо­дильной установки ряд зарубежных фирм выпускают компрессоры с регулированием частоты вращения вала двигателя компрессора. Скорость вращения регулируется в зависимости от реальной на­грузки, тем самым приводя в соответствие работу компрессора к реальной нагрузке При этом снижается энергопотребление, а тем­пературный режим в охлаждаемом объеме становится более равно­мерным (рис. 30) [30].

Точность настройки температуры при этом возрастает, посколь­ку снижаются ее колебания.

Рис. 30. Сравнение работы компрессора с частотным регулированием и без него

Регулирование производительности вентиляторов конденсатора

Наибольший энергосберегающий эффект достигается в зонах с низкой среднегодовой температурой воздуха. При уменьшении час­тоты вращения вентилятора до 50 % энергопотребление снизится до 15 % от расчетной величины для 100 % частоты вращения (рис. 31). Кроме энергосберегающего эффекта снижение частоты враще­ния вентилятора приводит к снижению шума.

• 0

Точное поддержание давления конденсации обеспечивает более высокое качество регулирования системы и помогает точно под­держивать температуру охлаждаемой среды. Возможность работы при частотах выше 50 Гц позволяет увеличить производительность конденсатора в периоды пиковых нагрузок.

Данные, полученные Департаментом энергетики США по про­центному вкладу различных коммерческих холодильных установок в экономию энергии, показаны в таблице 1.7.1 [31].

Таблица 1.7.1

Экономия энергии за счет повышения эффективности элементов холодильной системы

Использование компрессоров оптимального типоразмера (мощ­ности), выбор нужного хладагента, улучшение обтекания теплооб­менников воздухом могут привести к значительной экономии энер-

гии.

Электрофизические и электрохимические процессы (их энергоемкость)

Для изготовления детали необходима энергия W, складываю­щаяся из затрат энергии до проведения обработки W_o и затрат энер­гии непосредственно при формообразовании W§.

W = Wo + W4,

Теоретически энергоемкость удаления припуска наименьшая при дроблении снятого материала на мелкие частицы. При этом дополнительно расходуется энергия на перегрев, деформацию стружки, ускорение частиц до больших скоростей. Особенно вели­ки дополнительные затраты энергии при лучевых методах обработ­ки. Действительная энергоемкость процесса при этом составляет около 20 кВт-ч/кг. В сравнении с химическим формообразованием при удалении припуска удельная энергоемкость составляет около 0.02 кВт-ч/кг.

Освещение

Впервые электрическая энергия в промышленных масштабах была использована для освещения еще в конце XIX века. Однако, эффективность преобразования первичной энергии в свет при ис­пользовании лампочек накаливания находится на уровне 2,5 %. Эту эффективность снижают еще и потери в линиях и трансформа­торах, доходящие до 11-12 %. Для сравнения: эффективность пре­образования первичной энергии в тепловую энергию - около 85 %, в электроэнергию - около 40 %.

В настоящее время во всем мире около 19 % всей вырабатывае­мой электроэнергии тратится на освещение. Большая часть прихо­дится на освещение зданий и улиц - 75 %. Технически доступный потенциал энергосбережения для освещения оценивается в диапа­зоне 75-85 % за счет использования энергосберегающих техноло­гий, современных источников света и т.д.

Так, например, если принять за 100 % энергопотребление по всем технологиям, применяемым в освещении, то:

- используя энергоэффективные лампы, можно сократить расхо­ды на электроэнергии на 15-20 %;

применение современной электронно-пускорегулирующей ап­паратуры (ЭРПА), универсальных пускорегулирующих устройств (УПРУ), качественной оптики для светильников позволит получить еще около 35 % энергосбережения;

максимальное применение естественного освещения, датчиков движения, датчиков освещенности, звуковых датчиков и т.д. дает около 25 % сокращения энергопотребления.

В итоге остается около 20-25 % энергопотребления, т.е. вполне реально снизить в 4-5 раз за счет доступных на настоящее время средств.

Важнейшим показателем экономичности электрических ламп является световая отдача, которая повышается с увеличением но­минальной мощности для всех типов ламп. В целях экономии энер­горесурсов в осветительных установках следует использовать пре­имущественно газоразрядные лампы. При замене ламп накаливания на люминесцентные лампы низкого давления расход электроэнер­гии снижается примерно на 55 %, на лампы типа ДРИ - на 65 %. Применение вместо ламп накаливания компактных люминесцент­ных ламп позволяет сэкономить до 70 % электроэнергии.

Еще одним ресурсом энергосбережения в осветительных уста­новках является максимальное использование естественного осве­щения, что достигается применением автоматического управлени­ем осветительных установок в функции освещенности помещения ли по заданной программе, что дает снижение расхода электроэнер­гии на 5-15 %.

По статистическим оценкам в коммунальном секторе для улич­ного освещения используется до 98 % газоразрядных ламп высоко­го давления в пересчете на потребляемую мощность. При освеще­нии промышленных объектов доля данных ламп составляет 85 %. В наиболее перспективной и энергозатратной части сельского хозяй­ства - тепличном хозяйстве доля данных ламп составляет 72 %. По­этому снижение энергопотребления данных ламп и продление сро­ка их службы может принести значительный экономический эф­фект.

Управление и связь

В зависимости от стадии реализации технической системы из­меняется и потенциально возможные условия влияния на энергети­

ческую эффективность этой технической системы и затраты, необ­ходимые для повышения энергоэффективности этой системы. Су­ществует зависимость между стадиями создания и существования технической системы и возможностями влиять на расход энергоре­сурсов, создаваемой технической системы.

Существует несколько стадий развития технических систем:

малозатратные, при которых экономичесий эффект от их реа­лизации значительно превышает затраты на энергосберегающие мероприятия (зона 1);

среднезатратные, при которых эффект и затраты примерно равноценны (зона 2);

высокозатратные, при которых затраты на энергосберегающие мероприятия значительно превосходят эффект, полученный от их реализации (зона 3).

Обычно энергосберегающие мероприятия выполняются по при­оритетам: сначала малозатратные, затем средне и только затем вы­сокозатратные, хотя возможно и одновременное выполнение раз­ных категорий мероприятий по энергосбережению.

Эффект (рублей)

— стадия возможности влияния на проект системы

Т (время развития

технической системы)

На этом графике показано, что наиболее эффективно влиять на энергетические показатели системы необходимо на этапе создания и конструкторской проработки. Когда система уже создана (стадии 3 и 4), то возможность влияния с гораздо ниже и эти энергосбере­гающие мероприятия являются высокозатратными.

В общем виде все мероприятия по энергосбережению можно разбить на следующие категории (рис. 32) [32]:

• 1

• 2

• 3

Затраты (рублей)

Рис. 32. Стадии реализации потенциала энергосбережения

В Беларуси на 2010 год финансирование программ энергосбере­жения составит 1,4 млрд долл.США. Интересна динамика финанси­рования энергосберегающих мероприятий в сравнении изменением с энергоемкости ВВП (рис. 33) [32]. Видно, что стадия малозатрат­ных мероприятий по энергосбережению уже практически пройдена и в настоящее время экономика РБ находится в области среднеза-тратных мероприятий по энергосбережению, а через десять лет она сместится в область высокозатратных мероприятий.

Видно, что примерно за 10 лет величина удельных затрат вырос­ла в 4 раза. Это говорит о том, что со временем мы переходим из стадии малозатратных в стадию высокозатратных мероприятий по энергосбережению. Процесс это достаточно долгий, поскольку тре­бует кардинальных изменений в технологиях, а также со временем больших капиталовложений.

Одним из способов повышения энергоэффективности производ­ства и услуг является повышение доли электрической энергии, ис­пользуемой в энергобалансе ТЭР для разных категорий энергопри­емников. Чем выше величина потребления электрической энергии на душу населения, тем выше и ВВП на душу населения. Это кос­венно подтверждается данными рис. 35 [32].

Электрическая энергия является самой «цивилизованной» фор­мой энергии. Электрическая энергия позволяет применять высоко­эффективные технологии с высокой степенью автоматизации.

На США

[32].

рис. 34 показано изменение удельных затрат в долларах на экономию 1 т у.т. Здесь за 100 % взят уровень 2001 года