4. Анализ потоков энергии

Чтобы оценить эффективность преобразования одного вида энергии в другой или определить общее потребление энергии, энергоаудитор в своих расчётах часто основывается на измерении различных потоков энергии.

 Это могут быть первичные, вторичные или даже третичные виды энергоресурсов. Различают энергетические потоки входящие и исходящие из оборудования.

Рассмотрим некоторые примеры.

4.1. Системы вентиляции и кондиционирования

Потоки входящие: электроэнергия.

Потоки исходящие: поток воздуха с определенными физическими свойствами (температурой, влажностью, скоростью).

При проведении энергоаудита систем вентиляции и кондиционирования измеряется потребляемая электрическая энергия. Для оценки производимой полезной работы могут потребоваться измерения таких величин, как скорость вращения вала двигателя, скорость потока воздуха, создаваемый перепад полного давления и др.

Также необходимо обратить особое внимание на потери тепла с удаляемым из помещения воздуха в случае использования вытяжной вентиляции.

Рекомендуемые материалы

Общая структурная схема системы вентиляции представлена на рис 6.

Рис.6.

Если предъявляется требование подогрева или охлаждения воздуха, то в структурной схеме добавляется еще один элемент – кондиционер, изменяющий физические свойства рабочего тела.

Измерение потребляемой вентиляционной установкой электрической мощности, как правило, осуществляется при помощи ваттметров. Мощность трехфазного тока, потребляемая двигателем, может быть замерена двумя однофазными ваттметрами или ваттметром трехфазного тока.

Необходимо заметить, что часто применяются комплексные приборы, позволяющие одновременно производить измерения потребляемой активной, реактивной, полной мощностей; фазного либо линейного напряжения питающей сети; электрического тока, потребляемого нагрузкой и коэффициента мощности.

При отсутствии вышеперечисленного оборудования потребляемая двигателем электрическая мощность может быть определена косвенным образом при измерении напряжения питающей сети, потребляемого тока и коэффициента мощности. Измерения этих величин можно производить с помощью вольтметра, амперметра и фазометра соответственно. В этом случае мощность рассчитывается по формуле:

,

где U [В] – напряжение питающей сети;

I [А] – потребляемый из сети ток;

cos(j) – коэффициент мощности.

Измерительное оборудование, осуществляющее непосредственное измерение механической мощности, отсутствует. Поэтому механическая мощность при вращательном движении может быть определена косвенным способом по формуле:

,

где М [Н^.м] – развиваемый двигателем момент;

w [с^-1] – частота вращения вала двигателя.

Измерение частоты вращения, как правило, производится при помощи счетчиков оборотов, тахометров и стробоскопов.

Вращающий момент может быть измерен с помощью балансирного динамометра, который представляет собой устройство с качающимся узлом, момент равновесия которого прямо пропорционален измеряемому моменту. На практике для определения момента, развиваемого двигателем, необходимо его отсоединение от системы вентиляции. При энергоаудите такой метод используется крайне редко. При ориентировочных расчетах для определения вращающего момента и мощности, развиваемых двигателем, допускается использование табл.2.

Таблица 2.

В таблице приняты следующие обозначения : w [с^–1] – фактическая частота вращения; w_н [с^–1] – номинальная частота вращения; М [Н^.м] – фактический вращающий момент; М_н [Н^.м] – номинальный вращающий момент.

Другим, и более точным, способом определения развиваемой двигателем механической мощности является измерение потребляемой двигателем электрической мощности и аналитическое определение потерь в двигателе. Тогда развиваемая двигателем мощность определяется по формуле:

,

где Р_эл – потребляемая двигателем электрическая мощность;

DР – потери в двигателе при фактической загрузке.

Измерительное оборудование, осуществляющее непосредственное измерение аэродинамической мощности, отсутствует. Поэтому аэродинамическая мощность может быть определена косвенным способом по формуле:

,

где Н [Па] – полное давление (напор), развиваемое вентиляторной установкой, представляющее собой разность полных давлений потока при выходе из вентиляторной установки и при входе в неё;

Q [м³/с] – производительность (объемный расход), представляющая собой объемное количество газа, поступающего в вентиляционную установку за единицу времени.

Полные давления в различных сечениях воздухопровода можно определить путем измерения мало изменяющегося по сечению статического давления (при помощи отверстия в стенке или трубкой) и прибавления к нему (в нагнетательной части воздуховода, а во всасывающей – вычитания) динамического давления, вычисленного по средней скорости:

,

где Р_ст – измеренное статическое давление, Па;

v – средняя скорость потока, м/с;

r – плотность перемещаемого воздуха, кг/м³.

Если на рассматриваемом участке имеется врезанный прибор для измерения расхода воздуха (ротаметр, сужающее устройство), то используются показания этого устройства. На участках, где таких измерителей нет, объемный расход определяется по средней скорости потока и геометрическим размерам трубопровода по формуле:

,

где v [м/с] – средняя скорость потока;

F [м²] – площадь поперечного сечения на измеряемом участке.

Следовательно, для определения аэродинамической мощности необходимо применение следующих приборов:

·    Для измерения давления – жидкостные манометры, микроманометры;

·    Для отбора давлений в трубопроводах – пневмометрические трубки;

·    Для измерения скорости потока – чашечные и лопастные анемометры, термоанемометры;

·    Для определения параметров окружающего воздуха – барометры (для измерения атмосферного давления), различного рода термометры (для измерения температуры), психрометры (для определения влажности воздуха).

Необходимо отметить, что в настоящее время имеются комплексные приборы, позволяющие проводить измерения скорости, давления и температуры потока воздуха; температуры и влажности воздуха окружающей среды и др.

Измеряется:  Электроэнергия, потребляемая двигателем, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения привода, статическое и динамическое давление.

Оценивается: Механическая мощность, потери в двигателе и распределительных сетях.

Рассчитывается: Вращающий момент, аэродинамическая мощность, объемный расход воздуха.

4.2. Системы охлаждения

Потоки входящие:  электричество, теплота, поглощённая из холодоносителя

Потоки исходящие:  теплота, отводимая конденсатором; теплопотери компрессора.

Система охлаждения - это комплекс оборудования, обеспечивающий цикл преобразования энергии, при котором количество теплоты, отводимой конденсатором (и посредством других поверхностных потерь) равно количеству энергии, поглощённой испарителем  плюс электроэнергия, потребляемая компрессором. Таким образом, измерив любые два из этих компонентов, мы можем рассчитать третий. Этим мы не только определим общее количество потреблённой энергии, но и узнаем, насколько хорошо работает система.

На рис. 7 показана парокомпрессионная система охлаждения, в которой, в качестве рабочего тела используется охлаждённая вода, а также градирня водяного охлаждения открытого циркулирования, в которой, как средство эффективного охлаждения конденсата, используется принцип паропоглощения. Здесь энергоаудитору следует сфокусировать внимание на фактической эффективности системы, в частности, на расчёте коэффициента эффективности (СоР) системы и эффективности работы стояка водяного охлаждения. В этом примере электропотребление измеряется стационарным либо временно установленным счётчиком, в то время как количество отводимого тепла в градирне водяного охлаждения вычисляется путём измерения температур охлаждающей воды в подающем и обратном трубопроводах и пересчётом разницы температур в коэффициент энергопотока. Данное вычисление осуществляется умножением теплоёмкости воды на скорость потока, который определяется либо путём измерения разницы давления в насосе либо путём использования накладного расходомера. Отношение выделенной теплоты к потреблённой электроэнергии обозначается как СоР(Н), т.е. СоР тепла (коэффициент теплопроизводительности). По определению, соотношение между СоР тепла и СоР охлаждения - СоРR(R) (отношение охлаждения к электричеству), задаётся формулой:

СоРR(R) = СоР(Н) - 1

Таким образом, мы можем сравнить СоР рассчитанное с СоР ожидаемым, основанным на данных предприятия. Это поможет определить операционную эффективность и выявить возможности энергосбережений.

Другая область исследования - это градирня водяного охлаждения. В данном случае следует измерить параметры окружающего воздуха и параметры воздуха, нагнетаемого с вершины градирни водяного охлаждения, с учётом показаний сухого и смоченного термометров. Если температура охлаждённой воды, возвращающейся в конденсатор, отличается от температуры окружающего воздуха по показаниям смоченного термометра в пределах 2°С, тогда для многих систем это показатель высокой эффективности. Воздух, входящий в градирню водяного охлаждения, должен быть насыщен приблизительно на 70% - 90%. Если насыщение меньше указанного, это свидетельствует о чрезмерной искусственной вентиляции (если таковая имеется) по отношению к количеству воды, подлежащей охлаждению либо о том, что градирне водяного охлаждения требуется ремонт, а именно, модернизация системы распыления воды и поверхностей теплопередачи. Если насыщение превышает указанное, это свидетельствует о том, что в градирня водяного охлаждения подаётся недостаточный поток воздуха, кроме случаев, когда высокая влажность является результатом очень высокой влажности окружающей среды.

Рис. 7

Измеряется: Электроэнергия,потребляемая компрессором. Увеличение температуры в охлаждающем контуре.

Увеличение давления посредством накачки  охлаждающей воды.

Оценивается: Норма расхода охлажлающей воды.

Рассчитывается: Теплота, отведённая конденсатором. Расход охлаждающей воды. Разница температур. Удельная теплоёмкость. Коэффициент эффективности.

4.3. Парогенерирующие котлы

Потоки входящие:   топливо, воздух, питательная вода

Потоки исходящие:  выработанный пар, отработанные газы,  продувка, теплопотери.

В данном случае мы можем измерить не только величину потребления топлива, но и количество потреблённой питающей воды, произведённого пара, а также параметры выходных газов. Эта информация даст нам сведения об эффективности работы котла и количестве пара, а также о потерях.

На рис. 8 показаны различные измеряемые энергетические потоки внутри котельной. Рассмотрим, как можно анализировать эти потоки с целью определения других параметров.

Рис. 8

Потоки воды и пара

Измеряется:   пар, холодная питающая вода

Оценивается: Сброс конденсата

Определяется: Процент возвратного конденсата

Энергопотоки

Измеряется:   расход топлива, выработанный пар

Оценивается: теплопотери выхлопа

Определяется: эффективность горения, другие потери котла.

Мы знаем что, общий объём питающей холодной воды равен сумме поступающей из котла горячей воды и других потерь системы (а именно, запланированные потери, такие как системы впрыскивания пара и неконтролируемые потери, такие как выброс и утечка пара). Мы можем легко оценить потери при сбросе (основанные на давлении котла, размеры труб для сброса и их длины) и, таким образом, определить сумму всех других потерь пара/конденсата. Эту величину затем можно сравнить с запланированными и незапланированными потерями, чтобы выявить область улучшения. Ещё один полезный показатель эффективности, величина потерь пара, находится как процент от общего количества выработанного пара.

Аналогично, если мы измеряем поток топлива и количество выработанного пара, мы можем подсчитать фактическую эффективность котла за период времени. Сравнивая эту величину с данными теста анализа горения, мы можем либо выявить несоответствие величин друг другу либо использовать каждый набор данных для проверки точности других величин. Если оба расчёта эффективности соответствуют друг другу, можно просчитать потери вне процесса горения, такие как излучение и конвекция, потери при сбросе и потери коротких циклов.

4.4. Теплообменники

Потоки входящие:  горячий пар (перед охлаждением), холодный пар (перед нагреванием)

Потоки исходящие:  горячий пар (после охлаждения), холодный пар (после нагревания).

Хорошо изолированный теплообменник имеет незначительные потери тепла, поэтому на практике количество теплопотерь горячего потока, поступающего в теплообменник равно количеству пара, полученного холодным потоком, входящим в теплообменник. Таким образом, измеряя количество энергии, потребляемой из одного потока жидкости или полученной им, мы можем рассчитать энергию, полученную другим потоком жидкости или отбираемую из него.

Если теплообменники имеют значительные теплопотери, мы должны уметь просчитать их и определить, учитывая конструкцию теплообменника, учесть теплопотери в соответствующем потоке рабочего тела.

На рис. 9 показана конфигурация типичного калорифера, который выделяет из пара теплоту для образования горячей воды.

Рекомендуем посмотреть лекцию "22 Эмоциональное развитие дошкольников в педагогическом процессе дошкольного образовательного учреждения".

Рис. 9

В этом примере установка недорогого счётчика холодной воды даёт возможность измерять потребление воды и энергии. Потребление воды измеряется счётчиком непосредственно, а энергопотребление можно рассчитать как количество воды, умноженное на теплоёмкость и на изменение температуры (т.е. заданная температура минус температура поставляемой холодной воды). Эта величина отражает количество выделенной из пара теплоты, равное сумме поглощённой теплоты из воды и любых поверхностных потерь калорифера.

Измеряется: Холодная питательная вода

Оценивается: Увеличение температуры (контрольная температура - средняя температура холодной воды)

Определяется: Энергия, поглощённая из пара