3904

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Е.А.Лебедева

ЭНЕРГО - И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЯХ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекционным, практическим и семинарским занятиям по дисциплине «Энерго – и ресурсосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях»

для обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Тепломассообменные процессы и установки

Нижний Новгород

ННГАСУ

2016

УДК 620.9:662.6 (0,75)

Лебедева Е.А. Энерго – и ресурсосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. /Е.А.Лебедева; Нижегор. гос архитектур. - строит. ун – т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 34 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлена информация о современных достижениях в области энерго- и ресурсосбережения, приведено содержание лекционных занятий, даны указания по содержанию и последовательности выполнения практических и семинарских занятий по дисциплине «Энерго - и ресурсосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», даны рекомендации по выполнению индивидуальных заданий.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным, практическим, семинарским занятиям, выполнению индивидуальных заданий и реферата по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной образовательной программе направления подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки, одобренной решением научно-технического совета (НТС) от «9» июня 2015г. Протокол № 2.

© ЕА.Лебедева, 2016

© ННГАСУ, 2016.

2

4.4Перечень ресурсов информационно - телекоммуникационной сети

3

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины являются:

формирование теоретических знаний и практических навыков по основным видам природных и вторичных энергоресурсов, проблемам их энергоэффективного и экологически безопасного использования с целью дальнейшего применения освоенных общекультурных и профессиональных компетенций в профессиональной деятельности.

В процессе освоения дисциплины студент должен Знать:

-проблемные ситуации в современной теплоэнергетике, теплотехнике, теплотехнологиях; современные и перспективные решения систем энерго-ресурсо-сбережения, включая мероприятия по технике безопасности технологического оборудования

-современные и перспективные пути решения проблем энерго и ресурсосбережения в современной теплоэнергетике и теплотехнике, методы проведения научных исследований, нормативные документы в области оформления научно-исследовательских работ;

-технологические особенности действующих технологий в теплоэнергетике и теплотехнике, преимущества и недостатки действующих энергетических систем, способы оценки энергоэффективности традиционных технологий генерации тепловой энергии и перспективы развития энерго-ресурсосберегающих технологий;

-современные энерго и ресурсосберегающие технологии; перспективные технологические схемы и оборудование, направления модернизации действующих технологических процессов с целью повышения энергоэффективности систем, способы экономии энергоресурсов и обеспечения экологической безопасности.

Уметь:

-выбрать и обосновать оптимальные пути решения модернизации технологического оборудования с позиции улучшения эксплуатационных характеристик оборудования, повышения его экологической безопасности разработать комплекс мероприятий по безаварийной эксплуатации технологического оборудования;

-находить приоритеты решения профессиональных задач, применять действующие методики оценки состояния реконструируемых энергетических систем, использовать новейшие достижения науки и техники, создавать новые эффективные технологии;

-проводить сравнительный анализ энергетических технологий и оборудования, выявлять преимущества и недостатки, формулировать выводы, оценивать и представлять результаты выполненной работы;

-проводить сравнительный анализ энергетических технологий и оборудования, выявлять преимущества и недостатки, формулировать выводы, оценивать и представлять результаты выполненной работы.

Владеть:

-способностью генерировать прогрессивные идеи и доказывать их ценность, определять негативные последствия технологических операций, совершаемых при нарушении технологического процесса или при модернизации оборудования;

-способностью выявлять приоритетные направления исследований, ставить цели

иопределять задачи исследований, а также последовательность их выполнения; создавать

4

критерии оценки, оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы;

-информацией о современном состоянии проблемы энерго-ресурсосбережения, комплексом методик по определению энергетической эффективности технологических систем, включая энергетические; критериями оценок эффективности;

-знанием технологических и экологических характеристик используемых энергосберегающих технологий и оборудования, способами совершенствования и модернизации с

позиции улучшения эксплуатационных характеристик и достижения экологической безопасности.

Данная дисциплина позволит студентам систематизировать полученные теоретические знания в области разработки энергосберегающих систем применительно к энергетическим установкам; выявить наиболее неэффективные технологии топливноэнергетического комплекса; укрепить практические навыки расчета и обоснования энерго

– и ресурсосберегающих технологий, выбора энергосберегающего оборудования с использованием современных отечественных и зарубежных достижений.

Таблица 1. Очная форма обучения.

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

Раздел 1. Энерго-ресурсосберегающие технологии в теплоэнергетике. Общие све-

дения.

Методы оценки эффективности использования энергоресурсов. Классификация ре- сур-сосберегающих и энергосберегающих технологий. Перспективные направления развития энерго-ресурсосберегающих технологий.

Раздел 2. Проблемы и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

Использование солнечной энергии с целью замещения органического топлива. Перспективные гелиоустановки. Схема гибридной солнечной установки для получения тепловой и электрической энергии. Фотоэлектрические элементы. Преимущества, недостатки. Основы расчета. Перспективные способы использования геотермальной энергии. Проблемы использования ветровой и солнечной энергии.

5

Раздел 3. Эффективные способы энерготехнологического комбинирования технологических процессов.

Комплексное ступенчатое использование теплоты уходящих газов. Виды теплоутилизационного оборудования. Теплотехнические и эксплуатационные характеристики энергосберегающего оборудования. Основы расчета.

Раздел 4. Перспективы комплексного использования отходов производства и потребления для получения тепловой и электрической энергии.

Совершенствование топочных камер котлов и газогенераторов для утилизации отходов. Использование энергетического потенциала отбросных газов и отходов в качестве топлива для когенерационных установках на базе промыщленных котельных.

Раздел 5. Технико-экономическое обоснование повышения энергоэффективности и экологической безопасности теплоэнергетических установок за счет использования энергосберегающих технологий.

Способы технико-экономического обоснования энергосберегающего оборудования и установок. Расчет окупаемости возобновляемых источников энергии. Расчет экологических показателей энерго- и ресурсосберегающих технологий

1.3 Порядок освоения материала

Студенты предварительно знакомятся с программой курса; в качестве раздаточного материала выдается «Перечень лекций и практических занятий», озвучивается основной и дополнительный список рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине.

В течение курса со студентами проводятся лекции, практические занятия, семинары - дискуссии, индивидуальные и групповые консультации по вопросам выполнения индивидуальных расчетных заданий и выполнению курсовой работы.

Весь часовой объем курса делится на академический (аудиторный) и самостоятельный. Основными формами реализации дисциплины являются лекции, практические занятия, включающие семинары-дискуссии, а также формы самостоятельной работы: подготовка к лекциям, семинарам - дискуссиям, практическим занятиям, выполнению курсовой работы, подготовка к промежуточной аттестации (зачету).

6

2. Методические рекомендации по подготовке к лекционным занятиям

2.1.Общие рекомендации по проведению лекционных занятий

Лекции позволяют в максимально сжатые сроки представить значительный объем структурированной информации. Лекционные материалы по курсу «Энерго – и ресурсосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях» имеют проблемно-тематическую структуру и выстраиваются по принципам систематичности, последовательности и научности. Это дает возможность сформировать необходимые экологические знания, соответствующие уровню современной науки, обеспечить создание верных представлений о воздействии теплоэнергетических технологий на окружающую среду и способах его нейтрализации.

Лекция - форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Важно понять, что лекция не является копией учебника, а скорее – обобщением многочисленной литературы, авторской разработкой, которая отражает опыт преподавателя его представления о том, что студент должен знать.

Правильно законспектированный лекционный материал позволяет студенту создать устойчивый фундамент для самостоятельной подготовки, дает возможность получить и закрепить полезную информацию. Именно на лекции создаются основы для эффективной и плодотворной работы с информацией, которая требуется студенту, как в профессиональной, так и в повседневной жизни.

Восприятие лекции, и ее запись – это процесс постоянного сосредоточенного внимания, направленного на понимание рассуждений лектора, обдумывание полученных сведений, их оценку и сжатое изложение на бумаге в удобной для восприятия форме. То есть, самостоятельная работа студента на лекции заключается в осмыслении новой информации, и ее краткой рациональной записи. Правильно записанная лекция позволяет глубже усвоить материал, успешно подготовиться к практическим занятиям, зачетам и экзаменам.

2.2. Содержание лекционных занятий

Тема: Методы оценки эффективности использования энергоресурсов

Эффективность использования энергоресурсов определяется [8]: степенью пре-

образования их энергетического потенциала в конечную продукцию, в том числе теплоту, используемую на бытовые и промышленные нужды.

Эффективность применения энергоресурсов оценивается коэффициентом их полезного использования (ηэр):

где ηир – коэффициент извлечения потенциального запаса энергоресурса; ηпр - коэффициент преобразования энергоресурса; ηпи – коэффициент полезного использования энергии.

Коэффициент извлечения потенциального запаса энергетического ресурса (ηир) равен отношению всего количества извлекаемого ресурса к его потенциальному запасу. Он

7

определяется уровнем развития техники и технологий добычи топлив и составляет: для месторождений природного газа – 80%, нефти – от 30 до 40%, углей – 40% и ниже.

Коэффициент преобразования (ηпр) энергоресурса равен отношению количества энергии, полученной в процессе преобразования, к подведенной энергии. Таким образом, степень преобразования химической энергии органического топлива в тепловую энергию при его полном сжигании (q3 = 0) определяется тепловыми потерями (q5) в окружающую среду. Современные топочные устройства позволяют обеспечить степень такого преобразования, равную 97-99% в крупных энергетических установках и 95-97% - в установках малой мощности.

Коэффициент полезного использования энергии (ηпи) равен отношению количества использованной полезной энергии к израсходованной. Например, преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в тепловую энергию рабочего тела (теплоносителя – водяного пара, горячей воды и др.) связано с потерями теплоты q2 - c уходящими газами. Наибольшее значение (ηпи=90-92%) имеют энергетические и промышленные котлы. Преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в другие виды энергии, например, механическую (вращение вала паровой турбины или вала двигателя внутреннего сгорания) связано с большими потерями теплоты: ηпи = 30-45% (паровая турбина); ηпи= 23-30% карбюраторный двигатель. Большие потери теплоты с уходящими газами имеют промышленные печи без утилизаторов теплоты.

В целом по стране степень полезного использования энергоресурсов [8] не превыша-

ет 36% .

Анализ потерь теплоты показывает, что для снижения потерь энергоресурсов необходимо:

-повышение коэффициента извлечения топлива из недр (необходимы новые, более эффективные технологии глубокого извлечения);

-повышение эффективности преобразования энергии, то есть сжигания топлива в котлах и печах;

-более глубокое использование полученной теплоты, то есть снижение потерь теплоты при транспортировке и потреблении.

Ниже наиболее подробно рассмотрены методы повышения эффективности сжигания топлива в котлах, более глубокое использование полученной теплоты и снижение потерь теплоты при транспортировке и потреблении.

Тема: Перспективные направления развития энерго-ресурсосберегающих технологий

Для оценки энергетической эффективности, технического уровня и качества эксплуатации теплогенерирующих установок служит система технологических и экономических показателей. Приводятся количественные и качественные показатели эффективности использования топлива в теплогенерирующих установках, анализируются потери теплоты и определяется себестоимость производимой тепловой энергии.

Анализируется современное состояние систем выработки, транспортировки и потребления тепловой энергии в России на основе знаний, полученных в рамках учебного плана бакалавриата. Для этого в ходе лекции производится экспресс-опрос по следующим вопросам:

1. Какие способы производства тепловой и электрической энергии Вы знаете?

8

2. Каковы различия в схемах раздельного и совместного производства тепловой и электрической энергии? Приведите преимущества и недостатки схем и обозначьте направления повышения энергоэффективности.

3.Назовите основные характеристики котлов и котельных установок. Каковы свойства и параметры теплоносителей в различных тепловых схемах?

4.Каковы критерии оценки эффективности использования топлива? Назовите основные экономические показатели котельной установки.

5.Является ли достаточной эффективность использования топлива в котельных в настоящее время?

6.Охарактеризуйте потери теплоты в котельной при использовании органического топлива различных видов.

7.Приведите способы повышения эффективности использования топлива в ко-

тельной установке, изученные в рамках учебного плана бакалавриата.

8. Назовите варианты использования отработанной теплоты, примененные Вами при разработке тепловой схемы котельной.

9. Приведите основные проблемы, возникающие при транспортировке теплоносителей к потребителю;

10. Как, на Ваш взгляд, может повысить энергозащищенность зданий и сооружений?

Далее рассматриваются способы повышения эффективности выработки тепловой энергии за счет снижения потерь теплоты в источниках систем теплоснабжения, при транспортировке теплоносителей и потреблении тепловой энергии.

Тема: Перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии

Источниками энергии являются вещества, энергетический потенциал которых достаточен для последующего преобразования их энергии в другие ее виды с целью последующего целенаправленного использования [1,8].

Анализируется классификация источников энергии, особо выделяются возобновляемые источники энергии и вторичные источники энергии.

Приводится характеристика возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, геотермальные воды (пар), водные ресурсы и др.) анализируются их геологические ресурсы в мире и России, уровень использования в разных странах, причины недостаточного применения в нашей стране.

Приводится характеристика вторичных источников энергии, к которым относятся: горючие газы технологических процессов (нефтезаводские газы, доменный газ, попутные газы нефтедобычи и др.), отработавшие пар и конденсат, уходящие газы котлов и печей, горючие отходы технологических процессов.

Особое внимание уделяется перспективам использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии с целью замещения органического топлива.

Анализируются направления совершенствования действующих и реконструируемых теплоэнергетических установок, заложенные в «Энергетической стратегии России до

2035г.»[1]

Приводятся схемы ресурсосберегающих технологий и рассматриваются некоторые виды энергосберегающего оборудования.

9

Тема: Основы расчета процессов использования солнечной энергии

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и распространенности в мире наиболее перспективна.

Рассматриваются основы расчета эффективности применения солнечной энергии в промышленности с целью замещения органического топлива на нагрузку горячего водоснабжения промышленных цехов.

Расчет производится в соответствии с [3-7, 9-10, 24-25] в следующей

промышленного цеха с построением графика изменения расхода теплоты на горячее водоснабжение по месяцам года;

-оценивается располагаемое количество солнечной энергии по месяцам года (среднемесячное избыточное поступление суммарной Е и диффузионной Ев солнечной радиации) и составляется таблица поступления теплоты;

-выбираются несколько марок различных по конструкции и принципу действия солнечных коллекторов (отечественные плоский неселективный с двухслойным остеклением и штампованным абсорбером КСЭ НПК-2, вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор ВСТК производства Братского завода отопительного оборудования, а также минимум 1-2 импортных)

-выполняется расчет необходимой площади поверхности солнечных коллекторов, составляется график зависимости площади поверхности коллекторов от месяца и рассчи-

тывается требуемое количество каждого из принятых ранее коллекторов;

-проводится расчет количества полезной энергии, отдаваемой солнечными коллекторами по месяцам с построением графика;

-оценивается эффективность установки системы солнечного теплоснабжения путем расчета сезонного КПД и суммарного количества теплоты, выработанной установкой; составляется график изменения мгновенного КПД, выбранного коллекторами по месяцам;

-выполняется годовой график изменения количества поступающей солнечной энергии и тепловой нагрузки теплоснабжения;

-разрабатывается принципиальная тепловая схема горячего водоснабжения с использованием солнечной энергии;

-подбирается вспомогательное оборудование – бак-аккумулятор, теплообменник и др.;

-выполняется технико-экономическое обоснование принятых вариантов и выбирается оптимальный.

Тема: Комплексные схемы ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания котлов и печей

Рассматриваются способы энерготехнологического комбинирования технологических процессов, схемы использования энергетического потенциала высокотемпературных и среднетемпературных источников теплоты, а также современное теплоутилизационное оборудование [11,13,16, 18-23,26,39].

10