VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Для анализа и управления эффективностью энергетики потребителя коллективом кафедры «ЭОП и ЭТ в АПК» СПбГАУ была разработана методическая система записи графического представления энергетических параметров. Метод конечных отношений (МКО) предусматривает дискретный съём показателей счётчиков, что позволяет контролировать энергетическое параметры потребительской энергетической системы (ПЭС) предприятия в промежутках между коммерческими съёмами. Так как, записываемые по показателям счётчиков кривые Q(t), являются восходящими, то значения основного параметра энергосбережения относительная энергоемкость (Qэ) так же могут быть представлены в виде функции Qэ(t)[1, стр. 54].

Энергоемкость продукции может быть принята за основную величину при разработке методов расчета параметров и эффективности энергосбережения, поскольку по частным ее значениям элементов энергетической цепи может быть получено общее значение для всей цепи, контролируемое постоянными измерениями, а по нему — функциональная зависимость выпуска продукции от потребленной энергии[2, стр. 45].

Так как общее число исходных для анализа параметров три (энергия Q, продукция П и время t), состояние производства можно отобразить в виде точек в плоской системе координат с четырьмя квадрантами. На рис. 1 показана построенная таким образом диаграмма.

Рис. 1. Общая энергетическая диаграмма

Основные построения диаграммы проводятся в квадрантах Ι-ΙΙΙ: в Ι и ΙΙΙ анализируются интенсивные показатели (Р и Пꞌ); ΙΙ отражает основные показатели эффективности(Qп); ΙV служит для отображения времени.

В первом квадранте показана связь между энергетической мощностью и энергией. В качестве временного промежутка 0..t может быть принят любой промежуток между коммерческими съемами; среднее значение энергетической мощности Р принято постоянной величиной, равной тангенсу угла α. Третий квадрант образован осями времени t и объема произведенной продукции П. Зависимость П от t определяется производственной мощностью предприятия М_п =П/t. Ее значение также принято постоянным, равным тангенсу угла ß. Второй квадрант образован осями Q и П, конечные координаты величин Q и П за время t определены на осях их соответствующими мощностями, а линия, соединяющая начало координат с общей конечной координатой дает возможность отобразить процесс, связывающий производство продукции и затраты энергии (на приведенной диаграмме - линейный). Положение этой линии относительно оси П определяется тангенсом угла γ, равного Q_п = Q/П - энергоемкости продукции, показывающей затраты энергии на единицу выпускаемой продукции[2, стр. 46].

Для предприятия точками "привязки" диаграммы являются количество потребляемой энергии Q (точка 1), определяемое по счетчикам за промежуток времени 0..t, и объем произведенной продукции П (точка 2). Масштаб диаграммы выбирается произвольно.

Рассмотрим возможные варианты энергосбережения на энергетической диаграмме (рис. 2). Исходное состояние энергопотребления предприятий характеризуется мощностью Р = tgα, энергоемкостью Q_п=tqγ и производственной мощностью М_п = tqß. Предположим, что результатом мер по энергосбережению является снижение расхода энергии на величину ∆Q. Если этот результат является единственным, то, поскольку он сказывается только на масштабах энергопотребления и не влияет на производственные показатели, предлагается такой вариант энергосбережения называть экстенсивным[2, стр. 48].

При реализации тактики экстенсивного энергосбережения снижение потребления энергии влечет за собой снижение мощности до величины P = tgα_u. Во втором квадранте рабочей точкой является точка 2, соответствующая прежнему объему выпуска продукции П при соответствующей сниженной энергоемкости Q_п = tgγ_u [2, стр. 48].

Другой возможный вариант энергосбережения может быть реализован при сохранении постоянной энергетической мощности. Достигнутое повышение эффективности использования энергии, за счет мер по энергосбережению, может быть направлено на увеличение выпуска продукции. Такой вариант энергосбережения, при котором достигается увеличение масштабов производства при постоянной энергетической мощности предлагается считать интенсивным[2, стр.48]. Если реализуется тактика интенсивного энергосбережения, то при прежнем энергопотреблении Q и соответствующей ему мощности P = tgα рабочей режим во втором квадранте из точки 1 перемещается в точку 3, что соответствует уменьшенной энергоемкости Q = tg γ_u .Обратим внимание на то, что увеличение выпуска продукции +∆П должно быть обеспечено возрастанием производственной мощности до значения М_п = tgß_u.

Рис. 2. Диаграмма экстенсивного и интенсивного энергосбережения

Введенные понятия экстенсивного и интенсивного энергосбережения имеют одинаковый потенциал повышения эффективности использования энергии, определяемый снижением энергоемкости. Однако уровень реализации этого потенциала определяется возможностями регулирования производственной мощности в сторону увеличения. Такой способностью обладают конвейерные, поточные и подобные им технологии, когда возрастающая скорость получения необходимого эффекта за счет более интенсивного энергетического воздействия на вещественную составляющую может быть поддержана пропорционально возрастающей механической скоростью перемещения веществ[2, стр.51].

Таким образом, рассмотренная диаграмма может служить для анализа состояния энергетики предприятия, разработки мероприятий по повышению эффективности и оценки результатов этих мероприятий.

Рассмотрим пример использования универсальной энергетической диаграммы для анализа энерготехнологического процесса (ЭТП) нагрева воды и определения параметров его эффективности.

Технологическая среда - вода внутри бака. Габаритные размеры 360х300х270 мм, объёмом нагреваемой воды 20 литров. Номинальная мощность ТЭН, установленного в водонагревателе P_н= 1,12 кВт. Необходимая температура нагрева Т_к=70˚С, температура внутри помещения Т_н=25˚С (ΔT=45˚C).

Для анализа энергоэффективности процесса изначально определим минимальное количество теплоты, необходимое для достижения заданного значения температуры. В данном случае:

Q1=m*c*∆T, (1)

где m - масса воды, [кг];

с - 4,19 - удельная теплоемкость воды, [кДж/кг·°С].

Q₁ =20*4,19*45=3771 кДж.

Полученное значение является теоретическим, так как в расчете не учитывались потери тепла в результате его рассеивания в окружающую среду.

Время, необходимое для нагрева воды в электрическом водонагревателе с мощностью ТЭН Р_н=1,12 кВт до заданной температуры, определяется по формуле:

t=Q1Pн ,(2)

t = 37711,12=3367 c.

Энергетическая особенность ЭТП нагрева воды заключается в существовании удельной энергии Q^уд, т.е. минимального значения энергии на единицу технологической среды, обеспечивающей необходимый результат (Q^уд = 83,8 кДж/˚С).

Для построения энергетической диаграммы ЭТП нагрева воды обозначим оси по аналогии с энергетической диаграммой для предприятия. Отметим на диаграмме значения, полученные в ходе теоретического расчета, «1» (рис.2).

Реальный процесс нагрева среды сопровождается потерями т.к. температура является потенциалом создающим поток энергии из объема технологической среды в окружающую, пропорциональный разнице температур. При постоянной подводимой мощности потери с ростом температуры возрастают, следовательно, замедляется рост самой температуры. Проведем два эксперимента, в результате которых, с помощью диаграммы, определим параметры энергоэффективности процесса и проследим влияние изменяемых конструктивных параметров нагревателя на энергоемкость.

Эксперимент №1: Нагрев заданного объема воды без теплоизоляции корпуса нагревателя (ожидаемое количество потерь тепла – максимальное).

Потреблённая в процессе нагрева энергия определена по показаниям счётчика: W=1,187 кВт*ч (Q₂=4272 кДж). Время эксперимента t=3778 c. (по секундомеру).

Отметим полученные значения на диаграмме, обозначив полученные результаты точками «2».

Эксперимент №2: Нагрев заданного объёма воды с применением теплоизоляции "Алюфом" (коэффициент теплопроводности λ=0,038 Вт/м*˚С). Значение потреблённой мощности: W= 1,113 кВт*ч (Q₃ = 4272 кДж). Время нагрева t = 3555c.

Отметим полученные значения на диаграмме, обозначив соответствующие точки «3».

Рис. 1 Энергетическая диаграмма ЭТП нагрева воды

Зависимость P=Q(t) является линейной, а значение tgα соответствует номинальной мощности P_н и во всех случаях остается неизменной, т.к во время экспериментов в конструкцию нагревателя не вносились изменения связанные с корректировкой мощности нагревательного элемента.

Использование средних значений энергоемкости, позволило представить графики функций полученных во ΙΙ квадранте в виде прямых, это дало основание для сравнения их с теоретической прямой. Как было описано ранее, значения tgγ₁, tgγ₂, tgγ₃ являются энергоемкостями процесса нагрева воды, соответственно для каждого из экспериментов. Полученные значения энергоемкости:

• Для теоретического: Q_П1 = tg 40˚11ʹ= 0,845;

• Эксперимент №1 (без изоляции корпуса): Q_П2 =tg 43˚28ʹ= 0,947;

• Эксперимент №2 (коэффициент теплопроводности изоляции λ=0,038 Вт/м*˚С ): Q_П3 = tg 41˚44ʹ= 0,892.

Как известно, величина потерь энергии сквозь оболочку ограждающую объем технологической среды не измеряется. Однако существует возможность её расчета. В общем виде выражение для этого имеет следующий вид:

∆Q = αF(T -Т_н), (3)

где α - интенсивность потерь на единицу площади поверхности, кДжм2* ℃;

F – площадь наружной поверхности корпуса м2;

(Т-Т_н) - разность между температурой технологической среды и наружной (окружающей среды).

Из (3) получим формулу для определения интенсивности потерь:

α=∆QFT-Tн , (4)

Определим значение α для каждого эксперимента:

α2=Q2-Q1FT-Tн , α2=4272-37710,6*70-25=18,6 кДжм2* ℃ ;

α3=Q3-Q1FT-Tн , α3=4009-37710,670-25=8,81 кДжм2* ℃ .

На основании приведённых расчетов, можно сделать следующие выводы:

1. Энергетическая диаграмма ЭТП нагрева воды позволила наглядно отобразить действующие значения энергетических параметров и получить важные соотношения между ними: (γ₁< γ₃< γ₂);

2. Применение теплоизоляции бака нагревателя (коэффициент теплопроводности λ=0,038 Вт/м*˚С) позволило сократить энергоемкость процесса на 6,27% (111,83% и 105,56% относительно теоретического значения);

3. Интенсивность потерь энергии, сквозь оболочку ограждающую объем технологической среды, благодаря применению изоляции (коэффициент теплопроводности λ=0,038 Вт/м*˚С) снизилось в 2,1 раза.

Литература

1. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений: монография / В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев. – СПб.: СПбГАУ, 2010, -147 с.

2. Карпов В.Н. Введение в энергосбережение: монография. – СПб.: СПбГАУ, 1999. – 73 с.

6

Код для цитирования: Скопировать