Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

Таким образом, направлением энергосбережения при выплавке

металлов является расширение применения электродуговых печей, и

расширение использования в качестве исходных материалов металлолома.

Но при этом необходимо учитывать требования к качеству выпускаемых

металлов и дополнительные затраты на сортировку металлолома.

К высокотемпературным технологиям относится также нагрев и

закалка металлических изделий. Эти технологические процессы гораздо

больше распространены в сельском хозяйстве и на них следует обратить

более пристальное внимание.

Нагрев основан на подведении тепла к нагреваемому изделию с целью,

его последующей деформации или закалки. Если нагрев проводится с целью

последующей деформации, то он может протекать медленно. Закалка

металлических изделий основана на быстром их нагреве и последующем

быстром охлаждении. Причем и нагрев, и охлаждение должны быть

равномерными. В этой связи особенно удобно применять электронагрев, в

основе которого лежит закон Джоуля – Ленца. В соответствии с этим

законом, при прохождении по металлу тока в нем выделяется теплота,

определяемая по формуле:

Q = I

Rτ (8.1)

где Q – выделяемая теплота, Дж.;

I – протекающий ток, А;

R – активное сопротивление участка, по которому протекает ток,

Ом;

τ – время протекания тока, сек.

Активное сопротивление связано с материалом и размерами

нагреваемого участка следующей зависимостью:

2 3

110

R 

(8.2)

где ρ – удельное сопротивление металла, Ом.м;

l – длина нагреваемого участка, м;

S – поперечное сечение нагреваемого участка, м

Расчет усложняется тем, что все величины, определяющие

сопротивление металла, изменяются при изменении температуры. Однако

если принять, что увеличение длины пропорционально увеличению сечения,

то сопротивление нагреваемого металла будет зависеть только от его

удельного сопротивления. Установлено, что удельное сопротивление

металлов зависит от температуры следующим образом:

= ρ

[1 + α(t + 20)] (8.3)

где ρ

– удельное сопротивление металла при температуре t, Ом.м;

– удельное сопротивление металла при температуре 20

С, Ом.м;

α – температурный коэффициент изменения сопротивления,

– 1

;

t – температура нагрева,

С.

В таблице 8.1 приведены необходимые для расчета данные для

некоторых металлов.

При нагреве переменным током зависимость сопротивления от

температуры сохраняется, то есть, остаются справедливыми (8.2) и (8.3). Но

ток распределяется по сечению неравномерно. Например, если

металлическая деталь будет иметь форму цилиндра, то плотность

переменного тока повышается по направлению от центра сечения к

поверхности. При неравномерной плотности тока по сечению нельзя

принимать, что при нагреве отношение длины детали к ее сечению остается

2 3

111

постоянным. Это связано с различием молекулярного взаимодействия между

участками с разной температурой и с одинаковой температурой. Если

температура по сечению цилиндра распределена неравномерно, причем

перепад температур между поверхностью и центральной частью велик, то

температурное удлинение затруднено. Это обусловлено тем, что при

удлинении должны смещаться слои горячих и холодных участков, чему

препятствуют межмолекулярные силы. Температурное увеличение сечения

происходит без видимого сопротивления со стороны межмолекулярных сил,

так как при этом увеличиваются расстояния между одинаково нагретыми

молекулами.

Таблица 8.1

Характеристики сопротивления постоянному току некоторых металлов

Металл Удельное

сопротивление, Ом.м

Температурный

коэффициент,

Сталь:

 1% углерода

 0,5% углерода

 0,4% углерода

Алюминий

Железо

Медь:

 чистая

 мягкая

 твердая

0,15*10

–6

0,125*10

–6

0,10*10

–6

0,031*10

–6

0,14*10

–6

0,0162*10

–6

0,0172*10

–6

0,0175*10

–6

6,25*10

–3

6,20*10

–3

6,18*10

–3

3,7*10

–3

4,8*10

–3

4,0*10

–3

4,0*10

–3

4,0*10

–3

Таким образом, сопротивление металла при нагреве зависит от его

размеров. Этот эффект проявляется даже при промышленной частоте тока 50

Гц. На рисунке 8.1 приведены зависимости тока частотой 50 Гц от времени

его протекания для металлических прутков различного диаметра, но

одинаковой длины. Принято, что напряжение во всех случаях равно и

2 3

112

поддерживается на номинальном уровне, а нагрев проводиться до одной и

той же температуры.

200

400

600

800

1000

0 20 40 60 80 100

Время, сек.

Ток, А

Рисунок 8.1. Зависимость тока частотой 50 Гц от времени протекания

по металлическому пруту

1 – диаметр 25 мм, 2 – диаметр 45 мм, 3 – диаметр 60 мм.

Как видно из приведенного рисунка, при увеличении сечения

нагреваемой детали температурное увеличение длины замедляется и отстает

от температурного увеличения сечения. Так при диаметре 60 мм увеличение

длины затормаживается холодной центральной частью, а сечение

продолжает увеличиваться за счет нагретых периферийных слоев. Это

приводит к уменьшению сопротивления переменному току и к увеличению

тока почти до исходного (холодного) состояния. Восстановление значения

тока приводит к восстановлению мощности, идущей на нагрев.

Этот эффект проявляется еще больше при увеличении частоты тока.

Принимая во внимание, что для нагрева металлов используются

значительные токи, направлением энергосбережения также будет являться

стремление к уменьшению сопротивления всех электрических контактов.

2 3

113

Для закалки металлических деталей боле эффективно применять

индукционный электронагрев. Эффективность заключается в том, что при

таком способе нагрева можно нагревать только тонкий поверхностный слой,

чего бывает достаточно для упрочнения детали.

Физическая сущность электромагнитной индукции заключается в том,

что в металлах, помещенных в переменное магнитное поле, возникает

электродвижущая сила (э.д.с.). Под действием э.д.с. индукции протекает ток

индукции, который и нагревает металл.

Электродвижущая сила индукции зависит от числа параметров

индуктора (катушки), который создает переменное магнитное поле, и

определяется по формуле:

E = 4,44 f ω Ф (8.4)

где E – э.д.с. индукции, В;

f – частота тока, протекающего по обмотке индуктора, Гц;

ω – количество витков обмотки индуктора;

Ф – магнитный поток, создаваемый индуктором, Вб.

Под действием э.д.с. индукции в металле протекает ток

f44,4





(8.5)

где Z – полное сопротивление металлического проводника

переменному току, Ом.

Ток индукции протекает по поверхности металла, причем, чем выше

частота индуцируемого тока, тем меньше глубина его проникновения в

2 3

114

толщу металлического проводника. Толщина проникновения, или глубина

нагреваемого слоя определяется по формуле:

1003,5







(8.6)

Здесь δ – толщина наружного нагреваемого слоя, мм;

μ – магнитная проницаемость.

На рисунке 8.2 показан график глубины проникновения тока индукции

в стальной пруток в зависимости от частоты тока при нагреве до 1000

С. Как

видим, с увеличением частоты тока глубина нагрева уменьшается. При

уменьшении глубины потребуется меньшая мощность, а, следовательно,

возможна экономия энергии.

Рисунок 8.2. зависимость глубины нагрева стали от частоты индуцируемого

тока

1 10 100 1000 10000 10000

1E+06 1E+07 1E+08

Частота тока, Гц

Глубина нагрева, мм

1000 100000 10000000

2 3

115

Кроме описанного явления для повышения эффективности

электроиндукционного нагрева можно использовать эффект близости.

Эффект близости проявляется следующим образом:

 если по двум близко расположенным проводникам протекает ток

одинаковой частоты и одного направления, то мощность

концентрируется на внешней части этих проводников;

 если по двум близко расположенным проводникам протекает ток

одинаковой частоты, но разного направления, то мощность

концентрируется на внутренней части этих проводников;

 если ток протекает по спирали, то мощность концентрируется на

внутренних поверхностях витков.

Описанные эффекты близости поясняются рисунком 8.3.

Рисунок 8.3. К пояснению эффектов близости

а – при протекании токов в разных направлениях, б – при протекании токов в

одном направлении, в – при протекании тока по спирали

При различных сочетаниях взаимного расположения проводников

эффекты складываются. В частности, при нагреве внешней части полой

цилиндрической детали эффект близости усиливается, в результате внешняя

поверхность цилиндра легко нагревается. Если же требуется закалить

2 3

116

внутреннюю поверхность полого цилиндра, то эффекты близости

компенсируются, что потребует значительного увеличения мощности

индуктора.

Для получения более высоких температур используются

электроплазменные горелки (рисунок 8.4).

Рисунок 8.4. Электроплазменная горелка

Газоэлектрическая плазма представляет собой ионизированный газ,

разогретый в переменном магнитном поле индуктора до температуры 1*10

–

2*10

К. Если через эту плазму продувать воздух, то он нагревается до еще

большей температуры. Электроплазменные горелки в отличие от

ацетиленовых горелок позволяют получать более высокие температуры и

экономить карбид кальция. Однако индукционные установки имеют очень

низкий коэффициент использования мощности, что должно учитываться при

их применении.

8.2. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции

и горячего водоснабжения

Системы отопления можно разделить на два вида: централизованные

системы отопления и автономные системы отопления.

2 3

117

Достоинством централизованной системы отопления является горение

топлива при более высоких температурах, а, следовательно, можно получить

более высокий к.п.д. котельной установки. Кроме того, более высокая

температура горения топлива позволяет использовать перегретый пар, то

есть, более эффективный теплоноситель, чем вода.

К недостаткам централизованной системы отопления следует отнести

неизбежные потери тепла в тепловых сетях.

По данным /11/ в России в тепловых сетях общего пользования

ежегодно теряется в окружающую среду около 25 млн. т.у.т. В

распределительных сетях теряется в окружающую среду 55 – 60 млн. т.у.т.

Приблизительно 30% всех потерь теплоты в теплотрассах приходится на сети

малого диаметра (до 80 мм).

Таким образом, потери в тепловых сетях приводят к увеличению

расхода топлива (около 100 млн. т.у.т.). Кроме очевидного экономического

ущерба, перерасход котельного топлива отрицательно влияет и на экологию.

Так при сжигании 1 т.у.т. в атмосферу выбрасывается 4,5 кг азотных

соединений и 20 кг серных соединений и твердых золовых частиц /11/.

Потери в теплотрассе пропорциональны температурному напору

между теплоносителем и окружающей средой. В этом плане подземные

теплотрассы находятся в лучших условиях, чем воздушные, так как

температура воздуха обычно ниже, чем температура грунта на глубине более

1 метра

Теплотрассы от централизованных источников тепла обычно имеют

две линии

: прямую, по которой теплота поставляется потребителям, и

обратную, по которой возвращается обратная вода или конденсат после

отдачи теплоты в зону ее использования. Для снижения температурного

напора поддерживается минимально возможная температура обратной воды,

которая вместе с потребителем определяет температуру теплоносителя в

прямой линии. Учитывая кольцевое движение теплоносителя, следует

- в северных районах и районах вечной мерзлоты это утверждение обратно

- бывают также однолинейные, трехлинейные и четырехлинейные теплотрассы

2 3

118

придавать большое значение теплоизоляции не только прямой линии, но и

обратной, так как сохранение температуры обратной воды снижает

потребности в ее последующем подогреве. Кроме того, не предусмотренные

потери тепла в обратной линии могут стать причиной ошибочного

повышения температуры теплоносителя в прямой линии.

Наиболее вероятным местом потерь тепла по теплотрассе является

водозапорное оборудование (вентили) и места разветвлений. Во-первых, в

этих местах наиболее сложно уложить теплоизоляцию, во-вторых,

подвижные соединения наиболее подвержены разрушению при замерзании

теплотрассы. Замерзание теплотрассы может происходить в результате

аварий в системе теплоснабжения. В России, из-за высокой изношенности

тепловых сетей и отсутствия ответственности ремонтно-эксплуатационного

персонала, размерзание вентилей происходит достаточно часто. Причем течь

в вентилях обнаруживается не сразу, и теплота теряется в окружающую

среду вместе с вытекающим теплоносителем.

Для устранения этих потерь необходимо периодически осматривать

водозапорное оборудование с полной его разборкой и проведением

профилактики. Кроме периодических профилактик следует проводить

аварийные осмотры и аварийные ремонты после каждой остановки

централизованной котельной.

Сокращению расхода топлива способствует принудительная прокачка

теплоносителя через потребители тепла (батареи отопления).

Принудительная прокачка обязательна в централизованных системах

теплоснабжения, а в системах автономного теплоснабжения может

обеспечить снижение температуры теплоносителя до 30%. Однако сами

прокачивающие насосы являются потребителями электрической энергии.

Таким образом, экономичность насосов в системе теплоснабжения

определяется расходом электроэнергии. При плотности воды 1000 кг/м

удельный расход энергии определяется следующей формулой /11/:

2 3

119