ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Определение понятия «энергия»

В историческом плане, примерно начиная с 1807 г., понятие «энер­гия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила». Осо­бенно активно это понятие стало звучать в тот период, когда «движущая сила огня» начала использоваться в паровых машинах, где тепло от сжи­гаемого угля превращалось в механическую работу поршня, который пе­ремещался под давлением пара. Несколько ранее интенсивность движения тел оценивали «живой силой» - произведением массы тела m на квадрат скорости w его движения mw. В 1829 г. француз Г. Кориолис уточняет вы­ражение живой силы, поделив его пополам - mw2/2.

Несколько позднее энергию движущей силы стали называть кинети­ческой, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние - ка­мень поднят над землей и т. п., - потенциальной. К середине Х! Х века по­лучил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопре­вращении ее видов в изолированных системах - первый закон природы, который точнее можно определить так: нельзя получить что-либо, не оплачивая это. В этот же период в полной мере осознается выдающаяся роль энергии в жизни и развитии человеческого общества, за что присваи­вают ей романтический титул «царицы мира». Естественно, в этот период появились и научные определения энергии. Приведем здесь только одно из многочисленных определений, которое принадлежит Ф. Энгельсу: «энер­гия - это общая скалярная (не зависящая от направления, не векторная. - Авторы) мера различных форм движения материи». Заметив, что все виды энергии превращаются в тепло, которое, переходя к более холодным телам, в конечном итоге рассеивается в окружающей среде, излучаясь за­тем в мировое пространство. Ученые в результате обнаружили «тень» энергии - энтропию - меру рассеяния энергии. По мере изучения этого явления Р. Клаузиусом и другими был сформулирован новый закон - закон снижения качества энергии (возрастания энтропии), ставший позже вто­рым законом термодинамики: какие бы изменения ни происходили в ре­альных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтро­пии (невозможно помешать выравниванию энергии).

Развитие учения об энергии и ее превращениях неоднократно сопро­вождалось попытками создания теорий и принципов работы оборудования, выходящих за рамки упомянутых выше первого и второго начал термоди­намики. Наиболее интересные из них следующие. Разработка вечного дви­гателя (перпетуум-мобиле). Различалось два вида двигателей. Вечный дви­гатель первого рода можно определить как воображаемую, непрерывно­действующую машину, которая, будучи как-то запущенной, совершила ра­боту без получения энергии извне. Потребовалось длительное время, что­бы человечество убедилось в неосуществимости реализации такой маши­ны, так как ее принцип работы противоречит закону сохранения и превра­щения энергии.

Вечный двигатель второго рода - воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-то «неисчерпаемого» источ­ника (океана, атмосферы и т. п.), в работу. Данный принцип также не мо­жет быть реализован, так как противоречит уже второму началу термоди­намики.

Но, пожалуй, наиболее впечатляющей была теория все того же Р. Клаузиуса - теория «тепловой смерти Вселенной». Он попытался рас­пространить положения второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно этим утверждениям, через какой-то достаточно длительный про­межуток времени вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной превратится в теплоту, а равномерное распределение последней между всеми телами Земли и Вселенной приведет к выравниванию каких бы то ни было превращений энергии. Данная «теория» была опровергнута рядом исследователей, в том числе Л. Больцманом в 1872 г. Он на основе молекулярно-кинетической теории продемонстрировал, что закон возрас­тания энтропии неприменим к Вселенной, потому что он справедлив толь­ко для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся объектов, поведение которых, определяемое изменением параметров состояния (например, для газов - давление, температура, удельный объем), подчиняется законам теории вероятностей. Возрас­тание энтропии таких систем указывает лишь наиболее вероятное направ­ление протекания процессов.

В период опровержения теории тепловой смерти Вселенной немец­кий физикохимик В. Нернст предположил, что с приближением абсолют­ной температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю, что впо­следствии стало третьим законом термодинамики. Основываясь на этом законе, за нулевую точку отчета энтропии любой системы можно прини­мать ее максимальное упорядоченное состояние.

Эти три закона и молекулярно-кинетическая теория составляют ос­нову термодинамики, которая в настоящее время рассматривается как са­мая универсальная и строго логическая научная дисциплина.

1.1. Виды энергии

В настоящее время имеется научно обоснованная классификация ви­дов энергии. Их много - около 20. Вряд ли есть необходимость их все здесь перечислять и определять.

Приведем только те виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях.

1. Ядерная энергия - энергия связи нейтронов и протонов в ядре, ос­вобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной.

2. Химическая (логичнее - атомная) энергия - энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобо­ждается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях. Когда мы говорим - АЭС (атомная электро­станция), это вряд ли правильно. Точнее было бы ЯЭС (ядерная электро­станция).

3. Электростатическая энергия - потенциальная энергия взаимодей­ствия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

4. Магнитостатическая энергия - потенциальная энергия взаимодей­ствия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля мо­жет быть постоянный магнит, электрический ток.

5. Упругостная энергия - потенциальная энергия механически упру­го измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

6. Тепловая энергия - часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

7. Механическая энергия - кинетическая энергия свободно движу­щихся тел и отдельных частиц.

8. Электрическая (электродинамическая) энергия - энергия электри­ческого тока во всех его формах.

9. Электромагнитная (фотонная) энергия - энергия движения фото­нов электромагнитного поля.

Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологиче­ские процессы - это особая группа физико-химических процессов, но в ко­торых участвуют те же виды энергии, что и в других.

Есть еще психическая энергия. Действительно, ни один акт челове­ческой деятельности не может произойти без мотивационного, а значит, и «психоэнергетического» обеспечения, источником которого служит физи­ко-химическая энергия организма. Но это предмет отдельного разговора.

Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая, (около 70 - 75 %), механическая (около 20 - 22 %), электрическая - около 3 - 5 %, электромагнитная - световая (менее 1 %). Причем широко выраба­тываемая, подводимая по проводам в дома, к станкам электрическая энер­гия выполняет в основном роль переносчика энергии.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, вряд ли могут быть бесконечны­ми (т. е. возобновляемыми).

В декабре 1942 г. был введен в работу первый ядерный реактор и появилось ядерное топливо. В настоящее время в ряде стран все шире ис­пользуются возобновляемые источники энергии (ветровая, речной воды и др.).

Практически в любом технологическом процессе используется не­сколько видов энергии. Топливно-энергетические балансы при этом со­ставляются обычно по видам используемых топлив, видам энергии для ка­ждого технологического цикла (передела) отдельно. Это не позволяет про­вести объективное сравнение различных технологических процессов для производства одного и того же вида продукции.

Для сквозных расчетов энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать по трем группам:

1. Первичная энергия Э1 - химическая энергия ископаемого первич­ного топлива, с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обо­гащение), транспортировку и т. д.

2. Производная энергия Э2 - энергия преобразованных энергоноси­телей, например: пар, горячая вода, электроэнергия, сжатый воздух, кисло­род, вода и др., с учетом затрат на их преобразование.

3. Скрытая энергия Э3 - энергия, израсходованная в предшествую­щих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах про­цесса, технологическом, энергетическом и т. п. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т. д.; к этой же форме энергии относятся энер­гозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри - и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций [5].

Для многих массовых видов продукции величина энергетических за­трат в виде скрытой энергии, т. е. вносимой оборудованием и капитальны­ми сооружениями, является относительно незначительной по сравнению с
другими двумя видами энергии и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.

Суммарные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде

(1.1)

где Э4 - энергия вторичных энергоресурсов, которая вырабатывается в процессе производства данной продукции, но передается для использова­ния в другой технологический процесс.

Суммарные энергозатраты называют также технологическим топ­ливным числом (ТТЧ) конкретного вида продукции (стали, кирпича и др.). Среднемировые значения таких чисел приведены в табл. 1.1.

1.2. Первичная энергия

Виды топлива и его состав. Энергетическое топливо по своему фи­зическому составу делится на твердое (кусковое и пылевидное), жидкое и газообразное. Топливо в том виде, в каком оно поступает в котельную, на­зывают рабочим топливом. Оно состоит из следующих элементов: углеро­да - С, водорода - Н, кислорода - О, азота - N, серы - 5л, золы - А и влаги - W. Индексом 5л обозначается летучая сера. Остальная сера входит в со­став золы топлива. Если выразить в процентах содержание каждого эле­мента в топливе, то для элементарного состава его рабочей массы будет справедливо равенство

Ср + Н + Ор + N + 5% + Ар + W = 100 %.

Влага топлива. Влага является вредной (балластной) составляющей состава топлива, уменьшающей его теплоценность. Основная часть этого элемента топлива - внешняя влага, механически удерживаемая наружной поверхностью фракций топлива. Ряд топлив (торф, дрова, солома и т. п.)

имеют способность активно набирать влагу. Для этих топлив вводится по­нятие условной влажности. Пересчет массы, например, торфа фактической (натуральной) влажности на условную влажность производится по форму­ле

Оусл = Сфжт(100 - Жфакт)/(100 - Жусл), (1.3)

где Gy^ Єфакт, - соответственно массы топлива при условной и фактиче­ской влажности, т; Жусл, Жфакт - соответственно условная и натуральная влажность топлива, в %.

Следует обратить внимание на одну особенность при учете дров. В статистической отчетности они учитываются в плотных кубических мет­рах. Если по каким-то причинам масса дров приведена в складских кубо­метрах, то необходимо сделать их пересчет в плотные путем умножения количества складских кубометров на коэффициент 0,7.

Зола топлива. Это также балластная часть. Наибольшее количество (золы или минеральных) примесей содержится в твердых топливах. Это глины (А12О3-28Ю2-2Н2О), свободный кремнезем (БЮ2), карбонаты (Са - СО3, МgСО3 и БеСО3), сульфаты (СаБО4 и МgSО4) и т. д.

Минеральные примеси в жидких топливах (различные соли и окис­лы) содержатся в небольших количествах (до 1,0 %).В газовых искусст­венных топливах минеральные примеси содержатся в долях процента и определяются технологией производства газа.

Содержание в топливе «внешнего баланса» (А + W) зависит не толь­ко от природы топлива, но и от внешних условий (способа добычи, нали­чия фазы обогащения, хранения, транспортирования).

Для твердых топлив различают истинную, объемную и насыпную плотность (первая - в объеме плотной массы без пор, вторая - с порами и трещинами, третья - с порами, трещинами и межкусковыми промежутка­ми). Практическое значение для топлив имеют истинная и насыпная плот­ности, которые и приведены в табл. 1.2.

Теплотворная способность. Под теплотворностью (теплотой сгора­ния) понимается то количество теплоты (тепла), которое выделяется при полном сгорании топлива. Кроме полной теплотворности, т. е. количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы топлива (1 кг, 1 м3, 1 моль), в расчетах чаще всего используют низшую теплотворность Qn, оп­ределяемую при условии, что вода, образующаяся при сгорании топлива,
будет в парообразном состоянии. В практических условиях приходится иметь дело с низшей теплотворной способностью рабочего топлива - Qfh, ккал/кг, кДж/кг; это основной показатель теплоценности топлива.

Для того чтобы можно было сопоставить топлива между собой по их теплоценности, введено понятие условного топлива (у. т.), теплотворность которого 7000 ккал/кг у. т., 29310 кДж/кг у. т.

В различного вида отчетных документах расход топлива на каждый вид продукции (выполненных работ) и в целом по предприятию, муници­пальному образованию и т. д. приводится в тоннах условного топлива (т у. т.). Натуральные топлива пересчитываются в условное, как правило, по их фактическим тепловым эквивалентам К, определяемым как отноше­ние низшей теплоты сгорания рабочего состояния топлива к теплоте 1 кг у. т., т. е.

К = 0рн/700, или QV29310. (1.4)

Значения тепловых эквивалентов для топлив, чаще всего используе­мых в повседневной практике, приведены в табл.1.2.

Угольное топливо. Все ископаемые угли делятся на три основных типа: бурые, каменные и антрациты. Это деление достаточно условное, так как есть угли, которые можно отнести к разным типам.

Бурые угли (марка Б) отличаются меньшей, чем для других углей, теплотворной способностью (QFh ~ 2250 - 4000 ккал/кг). Их характеризует большой выход летучих (V = 40 - 50 %), неспекающийся коксовый оста­ток и большая влажность, доходящая до 55 - 58 % у молодых и до 30 % у старых углей. Они легко теряют на воздухе влагу и механическую проч­ность, превращаясь при этом в мелочь, и обладают повышенной склонно­стью к самовозгоранию. Их целесообразно использовать как местное энер­гетическое топливо из-за низкой теплоты сгорания, самовозгорания и рас­трескивания. Но в современной ситуации, когда цены на топливо резко выросли, при сокращении объемов их добычи бурые угли перестают быть топливом местного значения.

Каменные угли - это топливо с выходом летучих веществ более 9 %. Нередко это спекающиеся угли (сырье для коксования), за исключением длиннопламенных и тощих. Они отличаются широким диапазоном тепло­творности (QFh « 3200 - 6000 ккал/кг) и большим разнообразием марок.

Антрациты по своему геологическому возрасту являются наиболее старыми из всех ископаемых углей, у них выход летучих веществ менее 9 %, что затрудняет их воспламенение. Высокая теоретическая температу­ра горения (2180 0С) создает трудности для сжигания антрацитов в слое, особенно на механических колосниковых решетках. Теплотворность ан­трацита Qfh « 5500 -6800 ккал/кг. Антрациты обладают наибольшей из ис­копаемых углей механической прочностью, малым количеством влаги и золы, а также ярко-черным блеском. Переходными между каменными уг­лями и антрацитами являются так называемые полуантрациты (марка ПА), отличающиеся несколько большей теплотворностью.

Угли классифицируют также по крупности, если их путем грохоче­ния разделяют на классы: плита (>100 мм), крупный (50 - 100 мм), орех (25 - 50 мм), мелкий (13 - 25 мм), семечко (6 - 13 мм), штыб (< 6 мм). В этом случае к марке угля добавляют обозначение класса крупности, на­пример АШ - антрацитовый штыб и др. Но энергетические топлива грохо­чению практически не подвергаются, и такой уголь называется рядовым. Часть углей, обычно спекающихся, подвергается обогащению - сухому или мокрому - с выделением малозольного концентрата для коксования, также высокозольного промпродукта для энергетических целей. Еще од­ной разновидностью твердого топлива являются горючие сланцы с зольно­стью до 70 %. Это малоценное рабочее топливо.

Торф. Это относительно молодое геологическое образование, соз­дающееся в результате отмирания болотной растительности при избыточ­ном количестве влаги и недостаточном доступе воздуха. По внешнему ви­ду торф представляет собой волокнистую (при малой степени разложения) или пластическую (при высокой степени разложения) массу, соответствен­но коричневого или черного цвета. Торф в естественном состоянии содер­жит большое количество воды, чем он резко отличается от других видов твердого ископаемого топлива - бурого и каменного углей.

Под торфяным топливом при способах добычи его с воздушной суш­кой понимается воздушно-сухой торф с влажностью до 50 % - для куско­вого, до 53 % - для фрезерного торфа и зольностью до 23 %. Торфяное то­пливо, которое поступает потребителю с его действительными влажностью и зольностью, называется натуральным. Количество сухой массы в нем в зависимости от влажности бывает весьма различно, поэтому все весовые расчеты по поставкам топлива должны производиться на условную влаж­ность (33 % для кускового и 40 % для фрезерного торфа).

В настоящее время при производстве торфа широко используется процесс брикетирования. Это процесс уплотнения и упрочнения порошко­образного, мелкого материала при прессовании в замкнутом пространстве. Торфяные брикеты обычно имеют форму цилиндра или призмы, изготов­ляются из торфяной крошки (фрезерного торфа) и используются в качестве бытового топлива или в топках коммунальных и промышленных котель­ных. По своему тепловому эффекту 1 т торфяных брикетов может заме­нить до 3 м3складских дров. Если при производстве брикетов не использу­ется искусственная сушка торфа, то получаемый продукт называется полу - брикетом. Из торфа производят также кокс.

Значение теплоты сгорания QPh для различных видов торфяного топ­лива обычно составляют, ккал/кг:

торф фрезерный - 2000... 2600

торф кусковой - 2200.3000

брикеты торфяные - 3500... 4200

полубрикеты торфяные - 2800.3500

кокс торфяной - 7250.

Древесное топливо. Состоит в основном из клетчатки С6Н10О5 (50 - 70 %) и межклеточного вещества лигнина (20 - 30 %). Ценность древесно­го топлива состоит в малой зольности (до 1 %), отсутствии серы и боль­шом содержании горючих летучих (до 85 %). Возможная значительная влажность (W до 60 %) существенно снижает его теплотворную способ­ность. Иногда для дров вводят понятие абсолютной влажности, опреде­ляемой по формуле, %:

W = (G - GO-100/Gb (1.5)

где G и G1 - масса влажной и высушенной до постоянной массы при T = 100 - 105 0С древесины, кг.

Соответственно по этой влажности дрова подразделяются:

1) на воздушно-сухие с содержанием влаги до 25 %;

2) полусухие с содержанием влаги от 26 до 30 %;

3) сырые с содержанием влаги более 50 %.

Отходы растениеводства. По своей структуре и топливным харак­теристикам близко подходят к древесине. Большинство из них отличаются относительно высокой теплотворной способностью. Для сравнения приве­дены данные по городскому мусору (средние значения Qfh для раститель­ных отходов), ккал/кг: солома - 3750; костра льняная - 3860; коробочки хлопчатника - 3410; стебли хлопчатника - 3470; подсолнечная лузга - 3685; рисовая шелуха - 3180; городской мусор -1000.

Жидкое топливо. Исходным сырьем практически для любого жид­кого топлива является нефть. В отдельных случаях это могут быть продук­ты (смолы, дистилляты), получаемые при термической переработке твер­дых топлив. Рассмотрим здесь некоторые продукты переработки нефти.

Топочные мазуты. Классифицируются по содержанию серы на мало­сернистые (SF < 0,5 - 1,0 %), сернистые (SF < 2 %) и высокосернистые (SF < 3,5 %). Топочные мазуты выпускаются нескольких марок М200, М100 и т. д. Цифра показывает отношение времени истечения 200 мл мазута при 50 0С ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды в строго определенных условиях. Из этого видно, что мазуты - очень вяз­кие жидкости, не менее чем в 150 раз их вязкость выше, чем у воды. Для перекачки мазутов по трубопроводам и распыливания форсунками их надо подогревать до 100 - 140 0С.

Моторные топлива. Это топлива для двигателей внутреннего сгора­ния, классифицируют по их испаряемости. Она характеризуется темпера­турами, при которых выкипает 10, 50 и 90 % объема топлива, а для бензи­нов указывается и температура конца кипения. По испаряемости топливо делится на легкое и тяжелое. К легкому относится бензин, лигроин, керо­син. Марка бензина определяется его октановым числом, например бензин А - 92, А - 95. Чем выше октановое число бензина, тем ниже склонность данного топлива к детонации. Детонацию можно определить упрощенно как предельный (взрывной) режим горения топлива.

Газообразное топливо. Это естественные или искусственные газы. Первые добывают из скважин газовых месторождений или, как попутные, при добыче нефти. Вторые получают в процессе термического разложения твердых или жидких топлив на специальных заводах или, как попутные, при добыче нефти. Вторые получают в процессе термического разложения твердых или жидких топлив на специальных заводах или, как попутные, при коксовании углей или в биогазовых установках при переработке орга­нических отходов и стоков (бытовых, животноводческих и др.).

Природные газы отличаются высокой теплотворностью и полным отсутствием оксида углерода. Главное преимущество газообразного топ­лива состоит в удобстве транспортирования его по трубопроводам на большие расстояния и простоте сжигания. Попутные газы газонефтяных месторождений содержат ядовитый и коррозионно-активный сероводород.

В промышленности и особенно в быту используют сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти и попутных нефтяных га­зов. Температура конденсации при атмосферном давлении этих газов обычно ниже 0 0С, соответственно при 20 0С давление паров этих газов со­ставляет от 0,2 до 0,8 МПа, поэтому эти газы транспортируют в жидком виде в баллонах под небольшим давлением - менее 2,0 МПа.

Теплотворность Qfh некоторых газов, ккал/нм3: природный газ - 8000; сжиженный газ (пропан) - 21700; сжиженный газ (бутан) - 28200.