Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

раметров расчета риска и экономического ущерба по мере уточнения коэффициентов риска.

Наличие значительных загрязнений окружающей среды и противоречивые данные оценок экономического ущерба от этих загрязнений свидетельствуют о необходимости дальнейших совместных работ инженеров и медиков по решению данной проблемы. Как отмечалось, имеется уже и постановление № 03-19/24-3483 от 10.11.1997 «Об использовании методики оценки риска для управления качеством окружающей среды и здоровья населения в Российской Федерации», утвержденное главным государственным санитарным врачом и главным государственным инспектором РФ по охране природы.

Библиографический список к главе 6

1.Энергоэкологический анализ, программное обеспечение и снижение эколого-экономического ущерба: учебное пособие / В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, Б.Б. Зобнин, В.И. Рогович, А.Ф. Никифоров, В.И. Уткин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2005.

2.Управление ресурсами. Оценка и снижение эколого-экономического ущерба: учебное пособие / В.Г. Лисиенко, О.Г. Дружинина, Б.Б. Зобнин, В.И. Рогович, В.А. Морозова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. 2002.

3.Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Долгий Р.М. Программное обеспечение сравнительного анализа экономического ущерба предприятия: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Управление и информатика в энергосбережении и экологии». Екатеринбург: ИМИР, 2002.

Контрольные вопросы к главе 6

1.Дать определение терминов: экономический ущерб и экологоэкономический ущерб.

2.Какие методы анализа экономического ущерба вы знаете?

3.Какие методики используются для оценки экономического ущерба?

4.В чем заключается особенность методики оценки риска и медикоинженерного подхода при оценке эколого-экономического ущерба? Приведите соотношение оценок эколого-экономического ущерба при использовании методики риска и традиционных методик.

5.Определите степень вероятности заболевания астмой при воздействии на организм диоксида азота в воздухе.

141

Глава 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД) ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ РОЛЬ В ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

7.1. Структурная схема триадной тепломассообменной системы

Эффективность энерготехнологических процессов удобно демонстрировать на примере типичной структуры тепломассообменной системы, включающей в себя три важнейших элемента: тепловоспринимающую рабочую среду, теплопередающую среду и теплообменник. Последние раскрываются через теплообменные аппараты для продуктов сгорания и устройств, обеспечивающих утилизацию теплоты обрабатываемого материала.

На рис. 7.1 представлена структурная схема триадной тепломассообменной системы, где обозначены:

B – расход газа;

QнР – низшая теплота сгорания рабочего топлива; BQнР – тепловая мощность;

ТА – тепломассообменный аппарат; УТМ – утилизация теплоты материала – устройство для исполь-

зования теплоты материала; В – воздух для горения топлива, нагреваемый в теплообменном

аппарате; В1 – воздух для горения топлива или для нагрева материала, по-

догреваемый за счет утилизации теплоты материала; ВН – внешняя среда;

Q1 – полезно затраченная теплота;

Q2 – потеря теплоты с отходящими продуктами сгорания; Т – температура;

Qфизв – теплота, поступающая с подогретым воздухом; Qпот′ – потери в окружающую среду;

Qпот′′ – потери теплоты с отходящими продуктами сгорания в ви-

де химического и механического недожога; W – теплоемкость потока.

142

Рис. 7.1. Структурная схема триадной тепломассообменной системы (индексами обозначены: ' – параметр на входе; '' – параметр на выходе;

''' – параметр после ТА; индекс 1 относится к тепловоспринимающей среде; индекс 2 – к теплопередающей среде)

При этом теплоемкость потока сред W определяется по форму-

ле:
	W = G c,		(7.1)
где G – секундный расход среды, кг/с; с – удельная теплоемкость
среды, Дж/(кг К). Тогда размерность теплоемкости потока W:
	кг Дж	= Дж =	Вт.
	с кг К
		с К	К

Таким образом, данную тепломассообменную систему можно назвать триадной, так как она включает в себя три основных компонента:

1)тепловоспринимающую среду;

2)теплопередающую среду – среду, которая обеспечивает передачу тепла нагреваемому или расплавляемому материалу;

3)теплообменные устройства: теплообменный аппарат (ТА), обеспечивающий подогрев газа или воздуха за счет теплоты отхо-

143

дящих продуктов сгорания и устройство утилизации теплоты материала (УТМ).

7.2. Понятие о тепловой эффективности (тепловой КПД)

Известно, что наиболее четко тепловая эффективность процессов прослеживается через их КПД. Преимуществом этого показателя является безразмерная величина, четкие границы изменения, в том числе и предельные или энергетически идеальные значения. К настоящему времени становится понятным, что в сложных звеньях технологических процессов, кроме чисто термодинамических элементов собственно процессов тепло- и массопереноса, характеризуемых тепломассообменными КПД, для достижения энергетического и экологического совершенства процессов возникают разветвленные возможности выбора путей регенерации и утилизации теплоты как внутри самой технологической цепочки, так и вне ее.

По определению, тепловой КПД равен отношению полезной теплоты Q1 к тепловой мощности BQнР :

	η	т	=	Q1	,	(7.2)
				BQнР

где ηт – тепловая эффективность (тепловой КПД), который является важнейшим показателем собственно тепловой работы энерготехнологических агрегатов.

Для развернутого определения теплового коэффициента ηт используем уравнение теплового баланса (на базе первого закона термодинамики – закона сохранения энергии):

Р	В	Т		′	′′	(7.3)
BQн	+Qфиз +Qфиз = Q1		+Q2	+Qпот +Qпот,
где BQнР − поступающая тепловая мощность;					Qфизв	− физическое

тепло воздуха; Qфизт − физическое тепло топлива; Q1 – полезная теплота; Q2 – теплота, уходящая с продуктами сгорания; Qпот′ – поте-

ри на внешнюю среду за счет теплопроводности и потери на аккумуляцию теплоты элементами энерготехнологического агрегата; Qпот′′ – потери от химического и механического недожога.

144

Также тепловой КПД может быть определен через отношение удельной полезной затраченной теплоты qп к удельному расходу топлива bт:

	η =	Q1 P	=	qп ,	(7.4)
		BQР P
	т			b
		н		т

где P – производительность энерготехнологического агрегата; qп = QP1 ; bт = В PQнР .

С использованием величины теплового КПД удельный расход топлива рассчитывается по формуле:

b =	qп .	(7.5)
т	η
	т

Таким образом, тепловой КПД является важнейшим фактором, определяющим удельные расходы топлива и их снижение как результат повышения эффективности, интенсификации и других мероприятий по энергосбережению.

Важно также отметить, что в соответствии с уравнениями (4.1) – (4.5) с ростом величины теплового КПД снижаются общие, вредные и парниковые выбросы.

Условие для критерия оптимальности при управлении тепловыми процессами с использованием величины теплового КПД может быть записано в виде:

ηт = max ηт.

(7.6)

Для получения формулы теплового КПД ведем обозначения:

ηп = Р			′		;	(7.7)
			в
	Q1 +Qпот
	BQн			′′
		+Qфиз −Qпот
			′
	η′	=	Qпот	;		(7.8)
			BQР
	пот
			н

где η′пот − коэффициент потерь во внешнюю среду;

			′′
	η′′	=	Qпот	;	(7.9)
			BQР
	пот
			н

η′′пот − коэффициент потерь с химическим и механическим недожогом;

145

	Qв	+Qт
η =	физ	физ	;	(7.10)
р	Q2

ηр − степень регенерации.

Подставляя эти коэффициенты в уравнение теплового баланса (7.3), получим следующую формулу для теплового КПД комплекса “рабочее пространство − теплообменный аппарат”:

		′′			′
	1−ηпот(1−ηр)
ηт = ηп					−ηпот,	(7.11)
	1	−η	(1	−η )
		р		п

где ηп − теплообменный КПД.

С использованием формулы (7.11) определяются основные факторы – управляющие воздействия для достижения сформулированного выражения (7.6) условия оптимальности, а именно: для увеличения теплового КПД ηт необходимо увеличивать теплообменный КПД ηп и снижать тепловые потери: во внешнюю среду η′пот и с

химическим и механическим недожогом η′пот′ .

Особая роль в повышении теплового КПД отводится степени регенерации ηр.

7.3. Роль регенерации теплоты

Вполне понятно, что исходя из формулы (7.11) с ростом степени регенерации ηр и теплообменного КПД ηп величина теплового КПД увеличивается (рис. 7.2). Однако, начиная с некоторых значений ηп и ηр, существенно возрастают необходимые для реализации соответствующих мероприятий капитальные затраты. Особенно этот эффект начинает проявляться, например, при увеличении величин ηп и ηр, больших 0,6–0,7 (рис. 7.3). Эти эффекты более детально раскрыты в п. 7.8 настоящей главы.

Поэтому в данном случае можно говорить не о максимальных, а о некоторых оптимальных значениях ηп и ηр.

Формула (7.11) и график на рис. 7.2 позволяют количественно оценивать необходимую степень регенерации ηр при данной величине ηп для достижения некоторого достаточно высокого, приемлемого из технологических и экономических соображений значе-

146

ний ηт. Так, для достижения величины ηт ≈ 0,8 при ηп ≈ 0,7 при малых значениях потерь требуется иметь величину ηр ≈ 0,7.

Рис. 7.2. Типичный характер связи теплового ηт КПД с теплообменным ηп КПД через степень регенерации ηр при тепло-тепловой регенерации ( η'пот = η''пот = 0 )

Рис. 7.3. Характер зависимости значений капитальных затрат К от величины теплообменного КПД ηп и степени регенерации ηр

Графический анализ соотношения (7.11), конечно, подчеркивает ту существенную роль, которая отводится степени регенерации тепла в энергосбережении.

Для увеличения теплового КПД энерготехнологических агрегатов, снижения удельных расходов топлива и повышения их производительности эффективно проводить не автономную, а синхронную интенсификацию, т.е. принимать меры по увеличению тепло-

147

вых КПД одновременно как для рабочего пространства печи, так и для теплообменных аппаратов, обеспечивающих подогрев сред.

Анализ формулы (7.11) показывает, что наибольший рост теплового КПД ηт с увеличением ηр наблюдается при сравнительно небольших значениях ηп = 0,2–0,6. Как отмечалось, при ηп = 0,7 и коэффициенте регенерации ηр = 0,7 в случае сравнительно небольших потерь тепла уже можно достигнуть значения ηт = 0,8.

7.4. Схемы теплообмена

На практике могут быть реализованы следующие три вида схем теплообмена:

1)противоток (рис. 7.4, а);

2)прямоток (параллельный ток) (рис. 7.4, б);

3)перекрестный ток (рис. 7.4, в).

а

б

в

Рис.7.4. Схема теплообмена при противотоке (а), прямотоке (параллельном токе) (б) и перекрестном токе (в)

148

7.5. Теплообменный КПД

Как отмечено в п.п. 7.1–7.4, существенную роль в снижении теплового КПД ηт играет теплообменный КПД ηп. Условие для критерия оптимальности теплообменного КПД по аналогии с условием (7.6) может быть также представлено в виде:

ηп = max ηп.

(7.12)

Вэтом плане целесообразно рассмотреть основные факторы (управляющие воздействия), обеспечивающие реализацию условия

(7.12).

Как это следует из соотношения (7.7), в случае обращения к теплообменному КПД рассматривается основной элемент триадной системы (см. рис. 7.1), а именно соответствующие рабочие пространства энерготехнологических агрегатов, включающие тепловоспринимающую и теплопередающую среды. В данном рассмотрении

сцелью выявления основных факторов управления, как это на первом этапе принимается и в теории автоматического управления, рассмотрим решение на основе линейных упрощенных моделей.

Всистеме двух теплообменивающихся сред 1 и 2 (см. рис. 7.1 и 7.4), могут быть записаны следующие уравнения, представляющие соотношения теплового баланса, теплопередачи (в данном случае в линейном приближении) и теплоемкости системы:

		dQ1 = dQ2 ;						(7.13)
	dQ2 = k(T2 −T1 )dF ;							(7.14)
dQ = c ·G ·dT =W · dT ;							,	(7.15)
dQ = c			·G	·dT =W · dT
	1	1	1	1	1	1
	2	2	2	2	2	2

где Q1, Q2 – количества теплоты, передающееся тепловоспринимающей среде и отдаваемое теплопередающей средой; k – суммарный коэффициент теплообмена; W1, W2 – теплоемкости потоков сред; с1, с2 – удельные теплоемкости; G1, G2 – массовые секундные расходы; F – поверхность нагрева.

В соответствии с уравнением (7.7) для данного приближения величина теплообменного КПД ηп может быть представлена в виде:

η =	W1(Т1′′−Т1′)		,	(7.16)
п	W2	(Т2′ −Т0 )

149

где температура окружающей среды может быть принята равной

Т0 = 0D C = 273 K .

Решение системы уравнений (7.13) – (7.15) относительно величины ηп может быть выполнено с учетом различных возможных схем теплообмена, отличающихся относительной направленностью движения вдоль поверхности нагрева F, характерной для теплопередающей и тепловоспринимающей сред (эти схемы теплообмена представлены в п. 7.4).

Характер температурных полей вдоль поверхности нагрева F для схем противотока и параллельного тока, оцененный путем решения системы уравнений (7.13)–(7.15) представлен на рис. 7.5.

а б

в г

Рис. 7.5. Противоток (Т – температура, К; F – поверхность нагрева, м2):

а– при W2 > W1 (n = W1/W2 < 1); б – при W2 < W1 (n = W1/W2 > 1);

в– при W2 = W1 (n = W1/W2 = 1); г – параллельный ток

150