Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

Понизить влагосодержание окружающей среды можно также и

выведением высушиваемого продукта из окружающего влажного воздуха в

более сухой. Например, в сельскохозяйственном производстве осуществляют

перебрасывание буртов зерна зернометателями из одного места в другое. При

этом происходят следующие эффекты:

 перемещение зерна в более сухое окружающее пространство;

 перемешивание сухих и влажных слоев зерна;

 увеличение отношения испаряемой поверхности к занимаемому

объему;

 проветривание зерна во время его полета.

Данный способ весьма эффективен для сушки только что убранного

зерна на механизированном току, так как достаточный нагрев происходит за

счет солнечного излучения и не требуется дополнительного подвода

теплоты. В последующем зерно подсушивается перемещением в элеваторах,

однако при этом может потребоваться продувка норий горячим воздухом.

Следует отметить, что не все сельскохозяйственные продукты можно

сушить путем перебрасывания. Так, мягкие корнеплоды, фрукты, капуста и

т.п. при перебрасывании будут получать механические повреждения. В этой

связи предварительная сушка этих продуктов производится путем

продувания воздуха сквозь бурты, насыпанные на короб из реек (рисунок

8.9). Воздух, проходящий через короб, при этом может подогреваться.

Рисунок 8.9. Сушка корнеплодов путем продувки теплого воздуха

через короб в бурте

2 3

130

Таким образом, направлениями энергосбережения при сушке

продуктов могут быть увеличение поверхности испарения по отношению к

занимаемому объему, создание максимально возможного температурного

градиента и направление его изнутри продукта к поверхности, удаление

влаги из окружающего воздуха путем вентилирования, периодическое

перемещение высушиваемого продукта в пространстве.

Процессы выпаривания и ректификации аналогичны процессам

сушки.

Выпаривание применяется в перерабатывающих отраслях сельского

хозяйства для получения масел животного и растительного происхождения,

например, "топленного" сливочного масла. В отличие от обычной сушки при

выпаривании необходимо более глубокое осушение продукта, с удалением

абсорбционно связанной влаги. Это повышает энергоемкость процесса.

Вместе с тем при выпаривании допускаются бóльшие градиенты

температуры, что способствует энергосбережению. Для уменьшения расхода

теплоты может быть перспективным понижение давления в емкости с

продуктом, который подвергается выпариванию.

Ректификацией называется способ тщательной очистки жидкостей.

Например, ректификация применяется для выделения спиртов повышенной

чистоты. В основе процесса ректификации лежат различные температуры

кипения различных жидкостей. Сущность ректификации состоит в

следующем.

Жидкость

испаряется при любой температуре. Однако наиболее

интенсивное испарение происходит при кипении жидкости. Если имеется

смесь нескольких жидкостей (обычно это водные растворы) с разной

температурой кипения, то в парах будет подавляющее число молекул той

жидкости, температура кипения которой ниже температуры раствора. Так,

если в растворе имеются вода (температура кипения 100

С), тяжелые спирты

- испаряются также и твердые тела

2 3

131

(температура кипения 85 – 87

С), этиловый спирт (температура кипения

С), ацетон (температура кипения 30

С), и температура раствора 80

С, то в

паре будут преобладать молекулы ацетона и этилового спирта. Если этот пар

впоследствии подвергнуть охлаждению (конденсации), то получим

спиртовой раствор ацетона. Поместив этот раствор в среду с температурой 35

– 40

С, получим чистый этиловый спирт, так как ацетон при такой

температуре испарится в окружающую среду. Фактически для получения

чистого этилового спирта приходится повторить ректификацию несколько

раз, однако на выбор мероприятий по энергосбережению это уточнение не

влияет.

При ректификации невозможно использовать увеличение градиента

температур для энергосбережения, так как в водных растворах

температурный градиент стремится к нулю. Невозможно так же повышать

температуру, так как она находится в рамках жестких технологических

требований. Наиболее эффективным направлением энергосбережения будет

использование конденсаторного тепла. Теплота, выделяемая при

обязательном кондиционировании паров этилового спирта, может

использоваться в других низкотемпературных процессах. Для этого

конденсатор следует использовать, как теплообменник, что соответствует

современным устройствам ректификационных установок. Отводимое от

конденсатора тепло можно использовать для подогрева биомассы в

установках по производству газообразного биотоплива, или в

кондинционерах воздуха. В последнем случае конденсатор

ректификационной установки является испарителем холодильника

кондиционера.

Энергосбережению способствует и повышение давления в

конденсаторе ректификационной установки.

2 3

132

Глава 9. Энергосбережение в системах

электроснабжения

9.1. Энергосбережение при передаче

электроэнергии

Электромагнитная энергия (электроэнергия) является самой ценной

энергией из всех известных видов энергии. Электроэнергия легко получается

из любых видов энергии и преобразуется в любые другие виды энергии. Она

легко трансформируется, инвертируется и транспортируется, электроэнергия

практически состоит из эксергии. Электрифицированные производственные

процессы хорошо управляются, что позволяет дополнительно повышать

эффективность использования электроэнергии. В силу этого, во всех

индустриально развитых странах энергосбережению в системах

электроснабжения придается большое значение.

Электроэнергия передается посредством электрических сетей.

Электрические сети состоят из трансформаторных подстанций и линий

электропередач, и предназначены для получения электрической энергии от

генераторов электростанций и транспортировке ее к потребителям. Для

повышения надежности и экономичности электроснабжения в электрические

сети могут вводиться дополнительные устройства (резервные

2 3

133

электростанции, системы аккумулирования электроэнергии,

компенсирующие устройства). В соответствии с изложенным, очень

упрощенно электрические сети можно представить рисунком 9.1.

На повышающую трансформаторную подстанцию подается

электроэнергия от электростанции, к понижающей трансформаторной

подстанции подключаются потребители электрической энергии.

Необходимость повышения напряжения перед транспортировкой

электрической энергии обусловлена тем, что линия электропередачи имеет

сопротивление отличное от нуля, а, следовательно, в ней будет выделяться

Джоулева теплота, которая рассеивается в окружающую среду. Напомним,

что Джоулева теплота определяется по формуле

Q = I

Rτ

(9.1)

Рисунок 9.1. Упрощенная схема электрической сети

ТП1 – повышающая трансформаторная подстанция, ТП2 – понижающая

трансформаторная подстанция, ЛЭП – линия электропередачи, НН – низкое

напряжение, ВН – высокое напряжение.

Зависимость Джоулевых потерь от тока в квадрате вынуждает

понижать значение тока при транспортировке, чего можно достичь

повышением напряжения.

НН

ВН

ТП1

ТП2

ЛЭП

2 3

134

Рассмотрим процессы передачи электроэнергии и определим, при

каких условиях потери энергии будут минимальными. Анализ начнем с

трансформаторной подстанции.

Основным преобразователем энергии в трансформаторной подстанции

является силовой (повышающий или понижающий) трансформатор. К.п.д.

силового трансформатора весьма высоко, и составляет 0,96 для

трансформаторов малой мощности (25 кВА) и 0,995 для очень

трансформаторов большой мощности (несколько десятков МВА). В этой

связи определение коэффициента полезного действия трансформатора

делением активной мощности на выходе на активную потребляемую

мощность не приемлемо из-за соизмеримости ошибок измерительных

приборов и значения истинного к.п.д. Для анализа эффективности

использования трансформатора представим к.п.д. в следующем виде:

КС2

РРР





(9.2)

где Р

– активная мощность, снимаемая с вторичной обмотки, Вт;

– потери на намагничивание стали трансформатора, или потери

холостого хода, Вт;

– потери в обмотках трансформатора, или потери при коротком

замыкании, Вт.

Изменим числитель (9.2), прибавив и вычтя потери:

КС2

КС

КС2

КСКС2

РРР

РР

РРР

)РР(РРР













(9.3)

Введем понятие степени нагрузки, позволяющей ток любой нагрузки

выразить через номинальный ток трансформатора.

2 3

135



(9.4)

где I

– фактический ток во вторичной обмотке, или фактический ток

нагрузки, А;

2Н

– номинальный ток вторичной обмотки, А.

Учитывая, что номинальная мощность, снимаемая с вторичной

обмотки равна Р

2Н

= 3U

cosφ

= S

cosφ

, получаем:

КН

С2H

КН

РРcosS

РР







(9.5)

где S

– номинальная мощность трансформатора, ВА;

cosφ

– коэффициент мощности цепи вторичной обмотки;

КН

– номинальные потери при коротком замыкании, Вт.

Представим (9.5) в виде, удобном для дифференцирования:

КН

СН2

Н2

РРР







(9.6)

Применив методы дифференциального анализа для исследования к.п.д.

трансформатора, получим:

КН

СН2

КНН2Н2Н2КН

СН2

)РРР(

)Р2Р(РР)РРР(











(9.7)

Решив уравнение

0)Р2Р(РР)РРР(

КНН2Н2Н2КН

СН2



(9.8)

2 3

136

получаем:

КН

РР 

(9.9)

Таким образом, максимальный к.п.д. силового трансформатора

повышающей или понижающей трансформаторной подстанции будет при

равенстве потерь в стали, и переменных потерь в меди обмоток.

Потери в трансформаторе сложно определить в производственных

условиях, поэтому следует пользоваться паспортными данными Р

и Р

КН

(Приложение 4).

Для анализа эффективности работы трансформатора используется, так

называемый, эксплуатационный к.п.д.

Эксплуатационный к.п.д. показывает эффективность использования

номинальной мощности трансформатора. Для уяснения этого к.п.д. введем

понятие времени использования номинальной мощности (τ

ИСП

). Годовым

временем использования номинальной мощности называется такой период,

работая в течение которого с номинальной мощностью, трансформатор отдал

бы такую же энергию, как и при реальной работе с переменной нагрузкой.

По аналогии с условиями обычного к.п.д., эксплуатационный к.п.д.

принимает максимальное значение при условии:

РАБ

= Р

КН

ИСП

(9.10)

где τ

РАБ

– время работы трансформатора в году, час.

К.п.д. линии электропередач можно выразить следующим образом:



















cosU

IIzIU

I)UU(

ЛЭП

ЛЭП1

ЛЭП

(9.11)

2 3

137

где U

– напряжение в начале линии электропередач, В;

– напряжение в конце линии электропередач, В;

I – ток в линии электропередач, А;

ЛЭП

– полное сопротивление линии электропередач переменному

току, Ом;

ЛЭП

– активное сопротивление линии электропередач, Ом;

τ – время передачи электроэнергии, час.

Из формулы (9.11) следует целесообразность повышения напряжения

передаваемой электроэнергии. Из этой же формулы также следует

целесообразность снижения сопротивления линии электропередач.

Рассмотрим эти направления энергосбережения более подробно.

Повышение напряжения наиболее эффективное мероприятие, так как

при этом не только увеличивается знаменатель дроби в (9.11), но и

уменьшается числитель за счет уменьшения тока в линии электропередач

Однако увеличение напряжения в линии электропередач способствует

появлению коронного разряда. При коронном разряде происходят потери

энергии, которые могут превосходить Джоулевы потери. Кроме того, корона

является мощным источником радиопомех.

Коронный разряд происходит тогда, когда напряженность

электрического поля у поверхности проводов линии электропередач

превосходит прочность воздуха. Коронный разряд – сложное явление,

зависящее от многих факторов (напряженности электрического поля,

материала проводников, частоты тока, чистоты поверхности проводов,

давления воздуха, его газового и механического состава, влажности воздуха,

температуры и др.), поэтому появление короны предсказать достаточно

трудно. Тем не менее, установлено, что при напряженности электрического

поля более 15 кВ/см корона будет возникать практически в любом

атмосферном воздухе. При более благоприятных условиях (например, во

- двойной эффект следует и из зависимости Джоулевых потерь от тока в квадрате.

2 3

138

время грозы, когда давление воздуха понижено, и воздух сильно

ионизирован) корона возникает и при меньшей напряженности

электрического поля.

Для предотвращения коронного разряда при повышении напряжения,

приходиться разносить провода линии электропередач на большие

расстояния. Это приводит к увеличению габаритов линии и размеров опор.

Таким образом, повышение напряжения должно быть технико-экономически

обосновано.

Понижение активного сопротивления линии электропередач также

приводит к уменьшению потерь. Наиболее просто активное сопротивление

понизить путем увеличения сечения проводов. Однако при большом

увеличении сечения провода становятся тяжелыми и неудобными в монтаже

и эксплуатации. Снижения металлоемкости проводов при сохранении

эффекта можно достичь путем увеличения числа проводов в одной фазе. При

увеличении числа проводов увеличивается общая поверхность проводников,

а так как плотность переменного тока выше у поверхности, то равноценного

эффекта можно добиться при меньшем общем сечении.

Перспективным направлением энергосбережения видимо будет

передача электроэнергии в условиях сверхпроводимости.

Сверхпроводимость – явление снижения сопротивления практически до нуля

при криогенных (сверхнизких) температурах. Теоретически при

сверхпроводимости потери в линии электропередач можно свести к нулю,

так как предполагается R = 0. Однако пока практически условия

сверхпроводимости можно обеспечить, только прилагая значительное

количество энергии. Кроме того, пока не устранены технические сложности

изготовления линий электропередач, работающих при сверхпроводимости.

На рисунке 9.2 приведена зависимость изменения сопротивления чистого

алюминия. Здесь отмечены температуры кипения различных газов при

нормальном давлении, которые дают представление о сложности охлаждения

проводов даже до таких (не сверхпроводимых) температур.

2 3

139