Scientific journal
International Journal of Experimental Education
ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,839

1 1 1
1
2467 KB

Нагрев жидкости является энерготехнологическим процессом, использующим энергию с целью повышения её температуры. Энерготехнологический процесс (ЭТП) – конечный элемент энергетической линии, который предназначен для реализации цели потребления энергии – получение необходимого свойства, параметра состояния технической среды как следствия энергетического воздействия на неё [1, 2]. Согласно принятой в рамках потребительской энергетической системы (ПЭС) классификации, процесс нагрева жидкости может быть отнесён к вспомогательным энерготехнологическим процессам (ЭТП2) [3].

Для анализа энергетической эффективности ЭТП в ПЭС была предложена универсальная энергетическая диаграмма. Общие положения построения подобных диаграмм описаны в [4], однако более подробно рассмотрим особенности построения диаграммы для ЭТП нагрева жидкости.

Общее число исходных для анализа параметров процесса три: фактическая потреблённая в ходе процесса электрическая энергия Qф, результат ∆Т (изменение температуры воды от начального Тн до заданного технологией значения Тк) и время протекания процесса tф. Данные параметры могут быть отображены в виде точек в плоской системе координат с четырьмя квадрантами. Основные построения диаграммы проводятся в квадрантах Ι-ΙΙΙ: в Ι и ΙΙΙ анализируются интенсивные показатели – потреблённая энергия Q(t) и скорость роста температуры и ∆Тꞌ(t); ΙΙ отражает основной показатель эффективности – относительная энергоёмкость Qэ; ΙV служит для отображения времени.

В первом квадранте показана связь между подводимой мощностью и энергией. В качестве временного промежутка 0..t(i) должен быть принят промежуток времени – от начала процесса до его окончания, соответствующий наносимому контуру. Среднее значение подводимой энергетической мощности Рср принято постоянной величиной для теоретического контура, равной номинальной мощности нагревателя. В этом случае:

tehno11.wmf. (1)

Фактическое количество энергии, потреблённое в ходе процесса, определяется по формуле:

tehno12.wmf. (2)

Отметим, что фактическое значение средней мощности для реального процесса может быть определено из отношения:

tehno13.wmf, (3)

Или из построения:

tehno14.wmf. (4)

Второй квадрант образован осями Q и ∆Т, конечные координаты величин Q и ∆Т за время t определены на осях соответствующими значениями, а линия, соединяющая начало координат с общей конечной координатой дает возможность отобразить параметр, связывающий результат осуществление процесса и его энергетические затраты.

Относительная энергоемкость результата, достигаемого в ЭТП за счёт потребления энергии определяется тангенсом угла γ:

tehno15.wmf. (5)

Относительная энергоёмкость результата для реального процесса может быть определена отношением:

tehno16.wmf. (6)

Третий квадрант образован осями времени t и требуемого технологического результата ∆Т. Зависимость ∆Т’ = ∆Т(t) определяет скорость роста температуры, ее значение численно равно тангенсу угла ß:

tehno17.wmf. (7)

Для анализа энергоэффективности процесса при помощи диаграммы, можно построить несколько контуров, которые будут отражать энергетические параметры одного ЭТП при разных условиях (температура окружающей среды, напряжение питающей сети и т.д.) и позволят оценить получившиеся из построения соотношения показателей. Анализ начинается с построения теоретического контура диаграммы по расчётным значениям параметров ЭТП (Qтеор, tehno18.wmf, tтеор). Построение фактического контура осуществляется апостериорно, по измеренным в ходе реального процесса значениям основных параметров (Qф, tehno19.wmf, tф).

Коллективном научной школы «Эффективное использование энергии» СПбГАУ (рук. д.т.н., проф. Карпов В.Н.) разработан новый подход к анализу эффективности действующих технических систем предприятий АПК [5,6], в рамках которого принято считать, что энергия в технологическом процессе нужна для совершения работы в веществе, приводящей к появлению нужного результата R, поэтому теоретическое минимальное значение требуемой энергии может быть обозначено как tehno20.wmf (применительно к единице результата):

tehno21.wmf. (8)

В рассматриваемом процессе нагрева жидкости расчётное количество энергии, гарантирующее получение заданного результата ∆Т определяется согласно выражению (8):

tehno22.wmf, (9)

Удельное количество энергии для рассматриваемого процесса может быть определено исходя из заданного объёма нагреваемой жидкости V, её плотности ρ и научно-обоснованного значения теплоёмкости с:

tehno24.wmf. (10)

Таким образом, полученное количество энергии является минимально необходимым и объективным для получения результата и при этом не зависит от технологии нагрева и энергетического оборудования, которое реализует процесс.

Например, для нагрева широко применяются трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) различной номинальной мощности. При постоянной номинальной мощности нагревателя tehno26.wmf, энергетическая эффективность данного типа оборудования максимальна, поэтому минимальное время процесса нагрева может быть определено из соотношения:

tehno27.wmf (11)

Порядок нанесения точек на диаграмму. Масштаб диаграммы выбирается произвольно. По расчётным значениям первым наносится теоретический контур. Следует учитывать, что относительная энергоёмкость теоретического контура равна 1,0 (γт = 45°).

Ход реального технологического процесса графически описывается вторым контуром. Возникающее смещение основных точек относительно теоретического положения объясняется наличием потерь энергии вследствие несовершенства инжиниринга нагревателя. Согласно МКО [7] потери энергии в ЭТП нагрева жидкости:

tehno28.wmf. (12)

Величина tg(α’) отражает значение действующей мощности Pд, обеспечившей достижение технологического результата (повышение температуры воды). Отношение средней мощности к действующей, согласно МКО, позволяет определить относительную энергоёмкость процесса:

tehno29.wmf. (13)

Универсальная энергетическая диаграмма является удачным методическим приёмом, позволяющим в графическом виде отразить связи основных параметров любого технологического процесса с показателями его энергетической эффективности. Диаграмма обладает высоким аналитическим потенциалом и может быть использована для анализа отдельных процессов, а так же общей энергоэффективности в масштабах предприятия.

Показатели энергетической эффективности для процессов, характеризующихся интегральным результатом (нагрев жидкости), относительную энергоёмкость tehno30.wmf предлагается определять, как отношение фактической энергии к теоретической, а для процессов с дифференциальным результатом (обогрев помещения, освещение), как отношение средней мощности к действующей (tehno31.wmf). Значения показателей tehno32.wmf являются инвариантными и не зависят от способа определения.