CC BY
8
1 2 © Стенин В.А. , Лыткин А.С.
1Доктор технических наук; 2кандидат технических наук, Северный Арктический федеральный университет
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УПРОЩЕННОГО ЭНЕРГОАУДИТА
Аннотация
В работе предлагается при экспресс-аудите в качестве аналитического обоснования энергосберегающих технических решений использовать законы термодинамики, что позволяет оперативно получить информацию как о годовой экономии энергии, так и о периоде окупаемости энергосберегающего мероприятия.
Ключевые слова: энергоаудит, энергосбережение, первый закон термодинамики, период окупаемости энергосберегающего мероприятия.
Keywords: energy audit, energy, the first law of thermodynamics, the payback period of energy saving activities.
Правила проведения энергетических обследований организаций предполагают шесть видов: предпусковое и первичное (перед эксплуатацией); периодическое (повторное); внеочередное; локальное; экспресс-обследование. Однако практика проведения энергоаудита в нашей стране и за рубежом показала, что при решении проблем энергосбережения и лимита потребления энергоресурсов, энергоаудит достаточно проводить в два этапа: экспресс-обследование и углубленные энергетические обследования [1,190].
Упрощенный энергоаудит или экспресс-обследование (экспресс-аудит) проводится по сокращенной программе, как правило, с минимальным использованием или без использования приборного оборудования и носит ограниченный по объему и времени проведения характер. При этом может производиться оценка эффективности использования всех или одного из видов топливно-энергетических ресурсов (электрическая и тепловая энергии; твердое, жидкое или газообразное топливо), вторичных энергоресурсов, функционирования отдельной группы оборудования (отдельного агрегата), технологического процесса либо отдельных показателей энергоэффективности. На основе полученной информации и в результате обработки данных должны появиться следующие основные сведения: экономия энергии за год; общая стоимость энергосберегающих мероприятий; в рыночных условиях важно знать срок окупаемости мероприятий по энергосбережению.
Для оценки энергетической эффективности технологических процессов и энергетических установок с последующей разработкой энергосберегающих мероприятий предлагается термодинамическое обоснование экспресс-аудита. Применительно к исследованию энергоемких технологических процессов и энергетических установок методика использования термодинамического метода включает следующие основные положения: составление уравнения первого начала термодинамики; установление критериев оптимизации; установление базисных переменных; составление математической модели; установление влияния базисных переменных на критерий оптимизации путем определения функций чувствительности; определение годового энергосбережения от внедрения энергосберегающего мероприятия и периода окупаемости.
Рассмотрим приложения термодинамического метода (ТМ) к исследованию тепловых технологических процессов. В этом случае первое начало термодинамики имеет вид [2,73]:
© Стенин В.А., Лыткин А.С., 2016 г.
6 = бт + б. (1) Теплота б ,Дж, введенная в термодинамическую систему, идет на обеспечение
теплового технологического процесса бт ,Дж, и компенсацию потерь теплоты бР ,Дж, через границы термодинамической системы.
При реализации энергосберегающих мероприятий в качестве критериев оптимизации должны быть приняты в соответствии с (1) бт и бр, причем необходимо обеспечить минимум этих величин.
В качестве основной базисной переменной величины бт принимается температура Т,К, которую следует рассматривать как определяющий параметр теплового технологического процесса. Для величины бр базисными переменными являются
коэффициент теплопередачи к, Вт/м2 ■ К, поверхность теплообмена F, м2,
продолжительность теплового технологического процесса 1 ,с, и температура рабочего тела Т.
После того, как выбран характеристический критерий и установлены базисные переменные, строится модель, которая описывает взаимосвязи между переменными. Если считать, в общем случае, что обеспечивается теплотой политропический технологический процесс, то бт определяется следующей зависимостью:
бт = с ■ (т - тс ). (2)
Потери теплоты представим уравнением:
= к ■ р ■ (т - Гс ) 1, (3)
где тс - температура окружающей среды, К, с - теплоемкость рабочего тела,
Дж/К.
Установление влияния базисных переменных на уровень критерия оптимизации осуществляется с помощью функций чувствительности Z, которые могут быть определены, для примера, в виде:
7 = = р ■ (т - тс ) 1. (4)
дк с' '
Годовое энергосбережение бЭ определится по формуле:
бэ = 7 ■ (к - к2), (5)
где к1,к2 - соответственно коэффициенты теплопередачи границ термодинамической системы до и после внедрения энергосберегающих мероприятий. Период окупаемости П найдем следующим образом:
П = с/бэ ■ Ц, (6)
где С - капитальные затраты, руб; Ц - стоимость сэкономленной энергии, руб/год . Рассмотрим пример практического применения методики. В качестве объекта исследования принимаем технологический процесс сушки сварочных электродов. Базисными переменными являются продолжительность сушки 1 и температура Т. При сушке электродов используется понятие удельного расхода электроэнергии на тонну электродов qэ. К примеру, удельный расход электроэнергии при сушке электродов в
конвейерной сушильно-прокалочной печи составляет в среднем qэ = 119кВт/т [3,95]. Модель процесса сушки представим в виде:
qэ = кэ ■ т 1, (7)
где кэ - удельный расход электроэнергии на сушку тонны электродов при изменении температуры на 1К и продолжительности сушки на 1 минуту, кВт/т ■ К ■ мин . Определим коэффициент чувствительности qэ по температуре Т:
7 = , 119 - 0,19 кВт
т дТ Э 633 т-К
Коэффициент чувствительности qЭ по времени т равен:
- -д"Э - к.т=119=1,13 кВт
т дт 105 т -мин
Допустим, что при оптимизации процесса сушки электродов снижена продолжительность сушки на 20 минут, а уровень температурного воздействия на 80К. В этом случае снижение удельного расхода электроэнергии за счет сокращения времени сушки составит:
AqЭ1 - 7т • Дт = 1,13 -20 - 22,6 кВт/т.
Снижение удельного расхода электроэнергии за счет снижения уровня температурного воздействия представим в виде: AqЭ2 - 7т ДТ - 0,19-80 -15,2 кВт/т. Общее снижение удельного расхода электроэнергии: AqЭ - AqЭ1 + AqЭ2 - 22,6 +15,2 - 37,8 кВт/т .
Энергосберегающий эффект процесса оптимизации сушки, обеспечивающего снижение удельных энергозатрат на сушку тонны сварочных электродов в конвейерной сушильно-прокалочной печи, составит в процентном отношении следующую величину:
Э -Aqэ -100% - 37,8-100 - 32% qэ 119 0 .
Таким образом, проведенный анализ показывает перспективность использования термодинамического подхода в разработке энергосберегающих технологий в энергоемких тепловых технологических процессах, а также в определении направлений снижения энергоемкости выпускаемой продукции.
Литература
1. Фокин В.М. Основы энергосбережения и энергоаудита. - М.: Издательство Машиностроение-1, 2006. - 256 с.
2. Бурдаков В.П. Термодинамика. Ч.1. -М.: Дрофа, 2009.-479с.
3. Кисаримов Р.А. Справочник сварщика. - М.: ИП РадиоСофт, 2012. - 288с.
