МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД Учебно-методические Редакция №___ материалы по дисциплине от «__» ________ 2013г. «Научно-технические проблемы теплоэнергетики и теплотехнологии» УМКД 042-18-6.1112/03-2013 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ И ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ» для специальности 6M071700 – Теплоэнергетика УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2013 УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 2 из 36 Содержание 1 ГЛОССАРИЙ ............................................................................................................ 3 2 ЛЕКЦИИ.................................................................................................................... 4 Лекция 1 ....................................................................................................................... 4 Лекция 2 ....................................................................................................................... 8 Лекция 3 ..................................................................................................................... 11 Лекция 4 ..................................................................................................................... 14 Лекция 5 ..................................................................................................................... 17 Лекция 6 ..................................................................................................................... 21 Лекция 7 ..................................................................................................................... 24 Лекция 8 ..................................................................................................................... 27 Лекция 9 ..................................................................................................................... 31 3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ............................................................................... 34 Практическая работа 1 .............................................................................................. 34 Практическая работа 2 .............................................................................................. 35 Практическая работа 3 .............................................................................................. 35 Практическая работа 4 .............................................................................................. 35 Практическая работа 5 .............................................................................................. 35 Практическая работа 6 .............................................................................................. 35 Практическая работа 7 .............................................................................................. 35 Практическая работа 8 .............................................................................................. 36 Практическая работа 9 .............................................................................................. 36 4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА МАГИСТРАНТА ......................................... 36 УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 3 из 36 1 ГЛОССАРИЙ В настоящем УМК использованы термины с соответствующими определениями: Возобновляемые топливно-энергетические ресурсы - природные энергоносители, постоянно пополняемые в результате естественных (природных) процессов. Вторичные топливно-энергетические ресурсы (ВЭР) - топливноэнергетические ресурсы, полученные как отходы или побочные продукты (выбросы) производственного технологического процесса. Газотурбинная установка (ГТУ) – тепловой двигатель, состоящий из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Геотермика – наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов. Горение – сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). Конвективный теплообмен – совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью. Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Математическая модель – приближенное описание какого-либо явления или процесса внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Математическое моделирование – изучение свойств объекта на математической модели. Тепловая сеть — это система прочно и плотно соединенных между собой участков теплопроводов, по которым теплота с помощью теплоносителя (пара или горячей воды) транспортируется от источников к тепловым потребителям. Тепловое аккумулирование - это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ). Тепловое излучение — процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 4 из 36 Теплоизоляция — это элементы конструкции, уменьшающие передачу тепла Теплопроводность – молекулярный перекос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве. Теплофикация – энергоснабжение на базе комбинированной, т. е. совместной, выработки электрической и тепловой энергии в одной установке. Топливо - вещество, которое может быть использовано в хозяйственной деятельности для получения тепловой энергии, выделяющейся при его сгорании. Энергоаудит – обследование потребителей ТЭР с целью установления показателей эффективности их использования и выработки экономически обоснованных мер по их повышению. Энергосбережение - реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) ТЭР и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергетическая безопасность – состояние топливно-энергетического комплекса, обеспеченное соответствующими ресурсами, потенциалом и гарантиями независимо от внешних и внутренних условий, при котором удовлетворяются потребности хозяйствующих субъектов и населения в топливноэнергетических ресурсах в соответствии с установленными нормами охраны здоровья населения и экологии. 2 ЛЕКЦИИ Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Лекция 1 (2 часа; 1 неделя) Тема. Введение. Анализ тенденций и закономерностей развития энергетики на современном этапе. Вопросы 1 Цель, объем и содержание курса «Научно-технические проблемы теплоэнергетики и теплотехнологии». УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 5 из 36 2 Основные задачи курса, роль в подготовке магистранта по направлению «Теплоэнергетика». 3 Общая характеристика состояния и проблем теплоэнергетики и теплотехники. 4 Анализ тенденций и закономерностей развития энергетики (глобализация, либерализация, диверсификация, децентрализация, модернизация). 5 Разработка энергетической политики и механизмов ее реализации. 6 Состояние, научные и технические проблемы, перспективы развития энергетики в мире на современном этапе. 7 Модель мировой энергетики: структура и свойства. 8 Энергетическая отрасль Казахстана: состояние и перспективы развития. Реформирование энергетической отрасли Казахстана. 9 Вопросы устойчивого развития и энергетика. Программа устойчивого развития в РК. 10 Концепция индустриально-инновационной политики в РК. 11 Актуальность энергосбережения в Казахстане и мире. 12 Государственная политика в области повышения эффективности использования энергии. 13 Энергосбережение и экология. 14 Нормативно-правовая и нормативно-техническая база энергосбережения. Политика Республики Казахстан в области энергетики основана на следующих принципах: - обеспечения энергетической безопасности; - приоритета повышения эффективности использования топливноэнергетических ресурсов над ростом объемов их добычи и производства; - приоритета безопасности, здоровья и жизни человека, охраны окружающей среды при добыче, производстве, переработке, транспортировке и использовании топлива и ( или) энергии; - обеспечения государством экономических и правовых условий заинтересованности юридических и физических лиц в энергосбережении на основе соблюдения интересов Республики Казахстан и регионов, производителей и потребителей топливно-энергетических ресурсов; - обеспечения использования возобновляемых источников энергии. Система энергосбережения является средством реализации государственной энергосберегающей политики и включает в себя совокупность: - правовых норм, регулирующих общественные отношения в области энергоэффективности и энергосбережения; - мер, принимаемых центральными и местными исполнительными органами, физическими и юридическими лицами, а также лицами, участвующими в УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 6 из 36 реализации планов, программ и проектов по энергоэффективности и энергосбережению; - средств и мер, обеспечивающих рациональное и экономное использование топливных и энергетических ресурсов и охрану окружающей среды; - мер государственного регулирования в области использования энергетических ресурсов; - оснований применения мер ответственности за нарушение установленных норм законодательства по вопросам энергоэффективности и энергосбережения. От разумного развития энергетики Земли в сильнейшей степени зависит и экологическое благополучие, ибо половина всех газов, обуславливающих "парниковый эффект", создается в энергетике. Топливно-энергетический баланс планеты складывается в основном из "загрязнителей" – нефти (40,3 %), угля (31,2 %), газа (23,7 %). В сумме на них приходится подавляющая часть использования энергоресурсов – 95,2 %. "Чистые" виды – гидроэнергия и атомная энергия – дают в сумме менее 5 %, а на самые "мягкие" (не загрязняющие атмосферу) – ветровую, солнечную, геотермическую – приходятся доли процента. Понятно, что глобальная задача заключается в увеличении доли "чистых" и особенно "мягких" видов энергии. В ближайшие годы "мягкие" виды энергии не смогут существенно изменить топливно-энергетический баланс Земли. Пройдет некоторое время, пока их экономические показатели станут близкими к "традиционным" видам энергии. Кроме того, их экологическая емкость измеряется не только снижением выбросов СО2, есть и другие факторы, в частности отчужденная для их развития территория. Кроме гигантской площади, которая необходима для развития солнечной и ветровой энергии, надо учитывать и то, что их экологическая "чистота" берется без учета металла, стекла и других материалов, необходимых для создания таких "чистых" установок, да еще в огромном количестве. Условно "чистой" является и гидроэнергетика, что видно хотя бы из показателей таблицы – больших потерь площади затопления в поймах рек, которые обычно являются ценными сельскохозяйственными землями. Гидростанции ныне дают 17 % всей электроэнергии в развитых странах и 31 % - в развивающихся, где в последние годы построены крупнейшие в мире ГЭС. Однако, кроме больших отчуждаемых площадей, развитие гидроэнергетики тормозилось тем, что удельные капиталовложения здесь в 2 - 3 раза выше, чем при сооружении станций АЭС. Кроме того, период строительства ГЭС гораздо дольше, чем тепловых станций. По всем этим причинам гидроэнергетика не может обеспечить быстрого снижения давления на окружающую среду. Видимо, в этих условиях только атомная энергетика может быть выходом, способна резко и в довольно короткие сроки ослабить "парниковый эффект". Замена угля, нефти и газа атомной энергетикой уже дала некоторые снижения выбросов СО2 и других "парниковых газов". Если бы те 16 % мирового УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 7 из 36 производства электроэнергии, которые дают сейчас АЭС, производили угольные ТЭС, даже оборудованные самыми современными газоочистителями, то в атмосферу поступило бы дополнительно 1,6 миллиардов тонн углекислого газа, 1 миллион тонн окислов азота, 2 миллиона тонн окислов серы и 150 тысяч тонн тяжелых металлов(свинец, мышьяк, ртуть). Вопросы обеспечения сырьем и энергией – важнейшая и многоплановая глобальная проблема. Важнейшая потому, что и в век НТР полезные ископаемые остаются первоосновой почти для всего остального хозяйства, а топливо – его кровеносной системой. Многоплановая потому, что здесь сплетается воедино целый узел "подпроблем": - обеспеченность ресурсами в глобальном и региональном масштабах; экономические аспекты проблемы (удорожание добычи, колебания мировых цен на сырье и топливо, зависимость от импорта); геополитические аспекты проблемы (борьба за источники сырья и топлива; - экологические аспекты проблемы (ущерб от самой горнодобывающей промышленности, вопросы энергоснабжения, регенерация сырья, выбор стратегий энергетики и так далее). Вопросы для самоконтроля 1 Какова цель курса «Научно-технические проблемы теплоэнергетики и теплотехнологии»? 2 Выделите наиболее актуальные проблемы теплоэнергетики. 3 Каковы перспективы развития энерегетической отрасли Республики Казахстан? 4 Перечислите основные законодательные акты в области энергосбережения. 5 Каков потенциал энергосбережения на территории Республики Казахстан? 6 Какие основные экологические проблемы связаны с энергетической отраслью? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 8 из 36 Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 2 (2 часа; 2 неделя) Тема. Специальные вопросы тепло - и массообмена. Методы интенсификации тепло - и массообмена. Вопросы 1 Современное состояние и направление научных исследований в теории и прикладных исследованиях тепло- и массообмена. 2 Новые методы исследования теплофизических процессов на основе современных методик, учитывающих отечественный и мировой уровень развития соответствующих научных направлений. 3 Методы решения задач нестационарной теплопроводности при различных граничных условиях. 4 Обратные инверсные задачи теплопроводности. 5 Задачи конвективного теплообмена. 6 Влияние переменности свойств теплоносителя на теплообмен. 7 Задачи теплообмена в двухфазных средах: кипение, конденсация. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 9 из 36 8 Современное состояние и краткий обзор развития промышленных тепло-массообменных установок. 9 Основные принципы и тенденции в создании высокоэффективных тепло-массообменных аппаратов и установок. 10 Тепловой и гидравлический расчет тепло-массообменных установок. 11 Способы и методы интенсификации тепло- и массообмена. 12 Тепловые насосы, теплонасосные системы теплоснабжения. 13 Математическое моделирование тепломассобменных установок и систем. 14 Развитые поверхности теплообмена. 15 Сопряженные задачи теплообмена. На основании представлений современной физики явления природы вообще и теплопроводности в частности, возможно описать и исследовать па основе феноменологического и статистического методов. Метод описания процесса, игнорирующий микроскопическую структуру вещества, рассматривающий его как сплошную среду (континуум), называется феноменологическим. Феноменологический метод исследования дает возможность установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое явление в целом. Феноменологические законы носят весьма общий характер, а роль конкретной физической среды учитывается коэффициентами, определяемыми непосредственно из опыта. Другой путь изучения физических явлений основан на изучении внутренней структуры вещества. Среда рассматривается как некоторая физическая система, состоящая из большого числа молекул, ионов или электронов с заданными свойствами и законами взаимодействия. Получение макроскопических характеристик по заданным микроскопическим свойствам среды составляет основную задачу такого метода, называемого статистическим. Изучение любого физического явления сводится к установлению зависимости между величинами, характеризующими это явление. Для сложных физических процессов, в которых определяющие величины могут существенно изменяться в пространстве и времени, установить зависимость между этими величинами очень трудно. В этих случаях на помощь приходит метод математической физики, который исходит из того, что ограничивается промежуток времени и из всего пространства рассматривается лишь элементарный объем. Это позволяет в пределах элементарного объема и выбранного малого отрезка времени пренебречь изменением некоторых величин, характеризующих процесс, и существенно упростить зависимость. При решении задач, связанных с нахождением температурного поля, необходимо иметь дифференциальное уравнение теплопроводности. Тепловой насос - это прибор, позволяющий получать тепловую энергию от низкотемпературных источников (воздуха, воды и земли) и использовать ее УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 10 из 36 для обогрева зданий. Экологический эффект от использования этой технологии состоит в том, что она позволяет полностью избежать местных выбросов парниковых газов, образующихся при сжигании топлива. Поэтому замена старых котлов, использующих газ или жидкое топливо, на системы, в основе действия которых лежит тепловой насос, становится приоритетной задачей. Ее решение позволит не только сократить потребление ископаемого топлива, но и значительно снизить выброс в атмосферу диоксида углерода. Применение тепловых насосов различной тепловой мощности является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезона и условий работы достигать максимальной эффективности. С ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде использование тепловых насосов в качестве отопительной системы в домах является наиболее актуальным решением проблемы теплоснабжения. Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Основные достоинства тепловых насосов: 1) Экономичность. 2) Повсеместность применения. 3) Экологичность. 4) Универсальность. 5) Безопасность. Интенсификация теплообмена. Практика эксплуатации тепловых аппаратов требует наилучших условий передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Эти условия главным образом зависят от коэффициента теплопередачи. Однако знания численного значения одного коэффициента теплопередачи для исследования процесса теплопередачи недостаточно. Только анализ соотношений всех термических сопротивлений дает возможность сделать правильное заключение и позволяет существенно изменить величину теплового потока. Вопросы для самоконтроля 1 Опишите принципиально новые методы исследований в области тепломассообмена. 2 В чем особенность теплообмена при фазовых переходах? 3 Каковы задачи конвективного теплообмена? 4 Каковы основные тенденции в создании высокоэффективных тепломассообменных установок? 5 Опишите методику проведения теплового расчета тепломассообменных установок. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 11 из 36 6 Опишите методику проведения гидравлического расчета тепломассообменных установок. 7 Назовите достоинства и недостатки теплонасосных установок. 8 Какие виды математического моделирования, используются в тепломассообмене? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 3 (2 часа; 3 неделя) УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 12 из 36 Тема. Специальные вопросы теории горения. Вопросы 1 Специальные вопросы теории горения. 2 Механизмы и кинетика процесса горения органических топлив. 3 Технологии сжигания газового, жидкого и твердого топлива. 4 Современные системы сжигания топлив. 5 Вопросы сжигания водоугольных суспензий и водомазутный эмульсий. 6 Диагностика и управление устойчивостью горения. Горение представляет собой процесс быстрого и полного окисления горючего вещества, происходящий при высокой температуре и сопровождающийся выделением тепла. В горении участвуют два компонента, а именно: окисляемое (горящее) вещество, называемое топливом, и окислитель — вещество, содержащее кислород, способный достаточно быстро вступать в реакцию с топливом. Характер горения топлива в каждом отдельном случае определяется рядом различных факторов, среди которых основными являются: вид сжигаемого топлива, способ сжигания, аэродинамические особенности процесса, характер подвода кислорода к топливу. Влияние вида топлива на процесс его горения определяется агрегатным состоянием топлива, а также его влажностью, зольностью, спекаемостью, выходом летучих. Различают гомогенное и гетерогенное горение. Гомогенным называют горение, протекающее в одной — газовой — фазе, т. е. горение газообразного топлива. Гетерогенным в строгом смысле этого слова называют горение, происходящее на поверхностях раздела двух фаз. Практически — это горение углерода в воздухе. В более широком смысле под гетерогенным горением понимают горение любого твердого или жидкого топлива. Способ сжигания сказывается на характере горения в основном при сжигании твердого топлива, когда различают горение кускового топлива в слое и горение размолотого, пылевидного топлива в факеле. Жидкое и газообразное топливо сжигают только в факеле, причем жидкое топливо предварительно распыляют на мелкие капли. Аэродинамические особенности влияют на горение главным образом при сжигании топлива в факеле. В этом случае сказываются характер движения в факеле — ламинарный или турбулентный, а также прямоточность или закрученность потока. Наконец, в отношении характера подвода кислорода к топливу, также особенно сильно сказывающегося при сжигании топлива в факеле, имеет значение, является ли процесс кинетическим, когда горит уже предварительно пе- УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 13 из 36 ремешанная смесь топлива и воздуха, диффузионным, когда весь воздух для горения подается в факел отдельно от топлива и смешивается с ним в процессе горения, или промежуточным, когда одна часть воздуха предварительно перемешана с топливом, а другая смешивается с ним во время горения. При горении в неподвижной или почти неподвижной среде возникшее пламя начинает распространяться в горючей смеси в виде тонкого светящегося слоя — фронта пламени, отделяющего еще не начавшую гореть топливную смесь от продуктов реакции, так как сама реакция горения протекает именно в этом слое. Горение прекращается, когда фронт пламени достигает стен, ограничивающих объем, занимаемый горючей смесью. С ростом концентрации кислорода в воздухе, входящем в топливо-воздушную смесь, и повышением температуры ее нормальная скорость распространения пламени заметно увеличивается, а пределы воспламеняемости расширяются. При переходе движения топливо-воздушной смеси, вытекающей из горелки, от ламинарного к турбулентному возникают качественные изменения процесса горения. Кроме того, что фронт пламени становится размытым и пульсирующим, скорость распространения пламени возрастает в несколько раз и начинает зависеть от скорости истечения струи и степени турбулизации потока. В момент перехода движения горючей смеси от ламинарного к турбулентному происходит значительное увеличение скорости распространения .пламени, которое, однако, после достижения установившегося турбулентного движения начинает расти медленнее. Горение твердого и жидкого топлива является процессом многостадийным. Процесс горения твердого топлива может быть разбит на три стадии. На первой стадии топливо под влиянием внешнего источника тепла проходит процесс нагрева и коксования, в результате чего оно разделяется на летучую часть и коксовый остаток. На второй стадии происходит воспламенение выделившихся летучих и сгорание их. На третьей стадии происходит процесс гноения коксовой основы топлива. Жидкое топливо в большинстве случаев сгорает в две стадии, На первой стадии топливо нагревается до температуры кипения и испаряется. На второй стадии происходит гомогенное сгорание образовавшихся топливных паров. Воспламенение и горение каждой отдельной частицы топлива в гетерогенном факеле происходят индивидуально, хотя и не без связи с воспламенением и горением других частиц. Вопросы для самоконтроля 1 Опишите процесс горения топлива. 2 В чем отличие между гомогенным и гетерогенным горением? 3 Какова технология сжигания газообразного топлива? УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 14 из 36 4 Какова технология сжигания жидкого топлива? 5 Какова технология сжигания твердого топлива? 6 Перечислите современные методы управления устойчивостью горения. Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 4 (1 час; 4 неделя) УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 15 из 36 Тема. Математические моделирование и численные методы решения задач тепло- и массообмена Вопросы 1 Математические моделирование и численные методы решения задач тепло- и массообмена. 2 Моделирование тепловых, аэро- и гидродинамических процессов, протекающих в конкретных технических системах. 3 Прогнозный анализ энергетических технологий и структур. 4 Математическое моделирование в прогнозном анализе. Под математическим моделированием понимают изучение свойств объекта на математической модели. Его целью является определение оптимальных условий протекания процесса, управление им на основе математической модели и перенос результатов на объект. Основным понятием метода математического моделирования является понятие математической модели. Математической моделью называется приближенное описание какого-либо явления или процесса внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Математическое моделирование включает три взаимосвязанных этапа: 1) составление математического описания изучаемого объекта; 2) выбор метода решения системы уравнений математического описания и реализация его в форме моделирующей программы; 3) установление соответствия (адекватности) модели объекту. На этапе составления математического описания предварительно выделяют основные явления и элементы в объекте и затем устанавливают связи между ними. Далее, для каждого выделенного элемента и явления записывают уравнение (или систему уравнений), отражающее его функционирование. Кроме того, в математическое описание включают уравнения связи между различными выделенными явлениями. В зависимости от процесса математическое описание может быть представлено в виде системы алгебраических, дифференциальных, интегральных и интегродифференциальных уравнений. Этап выбора метода решения и разработки моделирующей программы подразумевает выбор наиболее эффективно метода решения из имеющихся (под эффективностью имеются в виду быстрота получения и точность решения) и реализацию его сначала в форме алгоритма решения, а затем — в форме программы, пригодной для расчета на ЭВМ. Построенная на основе физических представлений модель должна верно качественно и количественно описывать свойства моделируемого процесса, т.е. она должна быть адекватна моделируемому процессу. Для проверки адекватности математической модели реальному процессу нужно сравнить результаты измерений на объекте в ходе процесса с результатами предсказания модели в идентичных условиях. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 16 из 36 Этап установления адекватности модели является заключительным в последовательности этапов, выполняемых при ее разработке. При построении математической модели реальное явление упрощается, схематизируется и полученная схема описывается в зависимости от сложности явлений с помощью того или иного математического аппарата. От правильности учета в модели характерных черт рассматриваемого процесса зависят успех исследования и ценность полученных результатов моделирования. В модели должны быть учтены все наиболее существенные факторы, влияющие на процесс, и вместе с тем она не должна быть загромождена множеством мелких, второстепенных факторов, учет которых только усложнит математический анализ и сделает исследование либо чрезмерно громоздким, либо вообще нереализуемым. Метод математического моделирования применяют при изучении свойств процессов, для которых имеется достаточно точное математическое описание. В зависимости от степени полноты математического описания можно выделить два предельных случая: а) известны полная система уравнений, описывающая все основные стороны моделируемого процесса и все числовые значения параметров этих уравнений; б) полное математическое описание процесса отсутствует. Этот второй случай типичен для решения кибернетических задач, в которых приходится иметь дело с управлением процессами при наличии неполной информации об объекте и действующих на него возмущениях. При отсутствии достаточной информации об исследуемых явлениях их изучение начинается с построения простейших моделей, но без нарушения основной (качественной) специфики исследуемого процесса. Вопросы для самоконтроля 1 Что понимают под математическим моделированием? 2 Какие виды моделирования применяют при исследовании тепловых процессов? 3 Какие виды моделирования применяют при исследовании аэро- и гидродинамических процессов? 4 Опишите технологию проведения прогнозного анализа энергетических технологий. Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 17 из 36 проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 5 (2 часа; 5 неделя) Тема. Современное состояние, перспективные методы и способы получения и преобразования тепловой и электрической энергии. Вопросы 1 Перспективы проектирования новых ТЭС и реконструкция старых ТЭС. 2 Комбинированная выработка электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Преимущества и недостатки теплофикации. 3 Методы регулирования отпуска тепла потребителю. 4 Проблемы и перспективы развития и совершенствования основного оборудования электрических станций и технологических схем. 5 Совершенствование способов и методов подготовки и сжигания топлива. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 18 из 36 6 Теплоэнергетические системы промышленных предприятий и их связь с топливно-энергетическим комплексом. 7 Энергоиспользование в промышленном и теплотехнологическом производстве. 8 Энергетические характеристики теплотехнологических производств высоко-, средне- и низкотемпературного уровня. 9 Классификация систем централизованного теплоснабжения. 10 Схемы тепловых сетей конструкции элементов. 11 Проблемы реконструкции и модернизации теплоэнергетического оборудования объектов и сооружений теплоэнергетики. 12 Обеспечение надежности работы энергетического оборудования; оптимизации развития энергосистем и электростанций. 13 Современные конструкционные и теплоизоляционные материалы. 14 Современные компьютерные технологии в проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения. 15 Основы энергоаудита объектов теплоэнергетики. Под термином «теплофикация» понимается энергоснабжение на базе комбинированной, т. е. совместной, выработки электрической и тепловой энергии в одной установке. Термодинамической основой теплофикации служит полезное использование отработавшей в тепловом двигателе теплоты, отводимой из теплосилового цикла. В комбинированной выработке заключается основное отличие теплофикации от так называемого раздельного метода энергоснабжения, при котором электрическая энергия вырабатывается на конденсационных тепловых электростанциях (КЭС), а тепловая — в котельных. Основной энергетический эффект теплофикации заключается в замене теплоты, вырабатываемой при раздельной схеме энергоснабжения в котельных, отработавшей теплотой, отведенной из теплосилового цикла электростанции, благодаря чему на ТЭС ликвидируется бесполезный отвод теплоты в окружающую среду при превращении химической, а на АЭС внутриядерной энергии топлива в электрическую энергию. Развитие комбинированной выработки является одним из основных путей повышения тепловой экономичности энергетического производства в нашей стране. Тепловая нагрузка абонентов непостоянна. Она изменяется в зависимости от метеорологических условий (температуры наружного воздуха, скорости ветра, инсоляции), режима расхода воды на горячее водоснабжение, режима работы технологического оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснабжения, а также экономичных режимов выработки теплоты на ТЭЦ или в котельных и транспортировки ее по тепловым сетям выбирается соответствующий метод регулирования. В зависимости от пункта осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование выполняется на УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 19 из 36 ТЭЦ или в котельной; групповое — на групповых тепловых подстанциях (ГТП); местное — на местных тепловых подстанциях (МТП), называемых часто абонентскими вводами; индивидуальное — непосредственно на теплопотребляющих приборах. Основное назначение любой системы теплоснабжения состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством теплоты требуемого качества (т.е. теплоносителем требуемых параметров). В зависимости от размещения источника теплоты по отношению к потребителям системы теплоснабжения разделяются на децентрализованные и централизованные. В децентрализованных системах источник теплоты и теплоприемники потребителей либо совмещены в одном агрегате, либо размещены столь близко, что передача теплоты от источника до теплоприемников может осуществляться практически без промежуточного звена — тепловой сети. Системы децентрализованного теплоснабжения разделяются на индивидуальные и местные. В зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения можно разделить на следующие четыре группы: групповое — теплоснабжение от одного источника группы зданий; районное — теплоснабжение от одного источника нескольких групп зданий (района); городское — теплоснабжение от одного источника нескольких районов; межгородское — теплоснабжение от одного источника нескольких городов. Тепловая сеть — это система прочно и плотно соединенных между собой участков теплопроводов, по которым теплота с помощью теплоносителя (пара или горячей воды) транспортируется от источников к тепловым потребителям. Направление теплопроводов (трасса) выбирается по тепловой карте района с учетом материалов геодезической съемки, плана существующих и намечаемых надземных и подземных сооружений, данных о характеристике грунтов, высоте стояния грунтовых вод и т.п. Энергетические обследования проводятся с целью оценки эффективности использования организациями и предприятиями топливно-энергетических ресурсов, снижения затрат потребителей и реализации энергоэффективных решений. Энергоаудит распространяется на предприятия и организации, являющиеся юридическими лицами, независимо от форм собственности и их филиалы, использующие топливно-энергетические ресурсы для производства продукции и услуг, а также на собственные нужды. Энергоаудит решает следующие основные задачи: - оценка фактического состояния энергоиспользования на предприятии (организации), выявление причин возникновения непроизводственных потерь ТЭР и их количественная оценка; - разработка плана мероприятий, направленных на снижение потерь ТЭР - выявление и оценка резервов экономии топливно-энергетических ресурсов (оценка потенциала энергосбережения); УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 20 из 36 - оценка рационального энергопотребления технологическими установками и на собственные нужды; - разработка требований по созданию или совершенствованию системы учета и контроля расхода топливно-энергетических ресурсов; - разработка рекомендаций по модернизации энергоиспользующего оборудования и совершенствованию технологических процессов с целью снижения энергопотребления; - оптимизация структуры баланса энергопотребления. Вопросы для самоконтроля 1 Что понимают под когенерацией? 2 Каковы недостатки теплофикации? 3 Каковы перспективы развития технологических схем ТЭС? 4 В каком направлении происходит совершенствование методов подготовки топлива? 5 По каким признакам классифицируют системы теплоснабжения? 6 Перечислите основные элементы тепловой сети. 7 Какова роль энергоаудита в энергосбережении? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 21 из 36 Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 6 (2 часа; 6 неделя) Тема. Перспективные паротурбинные и газотурбинные установки: теория и расчет. Комбинированные циклы и установки. Вопросы 1 Структура и функционирование современных тепловых электрических станций различного вида. 2 Комбинированная выработка электроэнергии и тепла на ТЭЦ. 3 Реконструкция действующих центральных (районных) котельных в микро -, мини - и малые ТЭС. 4 Перспективные методы получения энергии в парогазовых, газотурбинных и МГД установках. 5 Схемы и показатели работы паротурбинных и газотурбинных установок. 6 Маневренность и экономичность ГТУ. 7 Пути повышения КПД. Наряду с потребителями электрической энергии почти всегда имеются также и потребители теплоты. К ним относятся системы отопления, горячего водоснабжения, тепличные хозяйства, а также различные технологические установки, служащие для подогрева, варки и сушки материалов, для опреснения морской воды. Расход теплоты па отопление в большой степени зависит от времени года, достигает максимальной величины в наиболее холодные зимние месяцы и почти полностью исчезает в летнее время. Промышленные потребители обычно нуждаются в теплоте в течение всего года. Большое экономическое преимущество может быть достигнуто при комбинированной выработке УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 22 из 36 электроэнергии и теплоты. При этом в реакторе, котле или парогенераторе вырабатывается пар повышенного давления, который направляется в турбину, где расширяется только до давления, необходимого тепловому потребителю. Конденсируясь в технологических аппаратах нагрева или сушки, пар отдает скрытую теплоту парообразования и в виде конденсата полностью или частично возвращается на электростанцию. Газотурбинной установкой называют тепловой двигатель, состоящий из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип действия ГТУ сводится к следующему. Из атмосферы воздух забирают компрессором, после чего при повышенном давлении его подают в камеру сгорания , куда одновременно подводят жидкое топливо топливным насосом или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива, поступает внутрь жаровой трубы, второй — обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при почти постоянном давлении. Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу. В отличие от паротурбинной установки полезная мощность ГТУ составляет только 30—50 % мощности турбины. Долю полезной мощности можно увеличить, повысив температуру газа перед турбиной или снизив температуру воздуха, засасываемого компрессором. В первом случае возрастает работа расширения газа в турбине, во втором — уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре. Оба способа приводят к увеличению доли полезной мощности. Полезная мощность ГТУ зависит также от аэродинамических показателей проточных частей турбины и компрессора: чем меньше аэродинамические потери в турбине и компрессоре, тем большая доля мощности газовой турбины становится полезной. Эффективность ГТУ в сравнении с другими тепловыми двигателями обнаруживается только при высокой температуре газа и высокой экономичности турбины и компрессора. Поэтому простой по принципу действия газотурбинный двигатель стали применять в промышленности позднее других тепловых двигателей, после того как был достигнут прогресс в технологии получения жаропрочных материалов и накоплены необходимые знания в области аэродинамики турбомашин. Одним из наиболее перспективных и в настоящее время разработанных методов прямого преобразования является магнитогидродинамический метод преобразования с помощью МГД-генераторов (МГДГ). Принцип его работы аналогичен принципу работы электрогенератора. В качестве проводника, пересекающего магнитные силовые линии, может быть использован поток электропроводящего газа или жидкого металла, которые движутся вдоль оси сопла. Если электроды (катод и анод) соединить через внешнюю цепь, то в ней возникнет индуцированный постоянный электрический ток, который может быть использован на нагрузке. МГДГ целесообразно применять как высокотемпера- УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 23 из 36 турную надстройку в пароводяном цикле ТЭС. Высокая начальная температура цикла в этом случае (~ 2700 С) позволяет повысить КПД комбинированной электростанции МГДЭС до 50 — 60%, что приводит к сокращению тепловых сбросов и расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии на 20 — 35%. Кроме того, МГДЭС обладают большой маневренностью: теоретически нагрузка может изменяться от 100 до 20%. Вопросы для самоконтроля 1 В каких случаях становится эффективным теплоснабжение от миниТЭЦ? 2 Опишите принцип работы парогазовых установок. 3 За счет чего достигается маневренность ГТУ? 4 Каковы основные показатели работы ПТУ? 5 Опишите принцип работы МГД-генератора. Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 24 из 36 Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 7 (2 часа; 7 неделя) Тема. Использование вторичных энергоресурсов и отходов производств в качестве энергетического топлива. Вопросы 1 Виды вторичных энергоресурсов (ВЭР). 2 Использование ВЭР для получения электрической и тепловой энергии. 3 Способы использования и преобразования ВЭР. 4 Отходы производства и сельскохозяйственные отходы. 5 Способы и возможности их использования в качестве первичных источников для получения электрической и тепловой энергии. 6 Энерготехнологическое комбинирование в отраслях промышленности. Вторичные энергоресурсы (ВЭР) подразделяются на следующие группы: 1. Горючие ВЭР, получаемые в результате технологических процессов с участием тепловых и сырьевых (горючих) ресурсов: коксовый и доменный газы в черной металлургии; водород – в производстве каустической соды; фракции СО – в производстве Са; танковые и продувочные газы – в производствах NH3 и метанола; печной газ – в производстве желтого фосфора; загрязненное дизельное топливо и др. 2. Тепловые ВЭР. Тепло отходящих газов технологических агрегатов, тепло основной, побочной и промежуточной продукции, тепло рабочих тел, систем принудительного охлаждения агрегатов, тепло горячей воды и пара, отработанных в технологических и силовых установок. 3. ВЭР избыточного давления. К ним относятся обладающие потенциальной энергией газы и жидкости, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением, достаточным для их дальнейшего использования. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 25 из 36 Соответственно различают следующие основные направления использования ВЭР различных видов: топливное, тепловое, силовое и комбинированное. В прокатном производстве энерготехнологическое комбинирование позволяет снизить удельные затраты топлива на нагрев единицы массы металла. Котел на отходящих продуктах сгорания устанавливается на печи. Металлический воздухоподогреватель размещается за котлом. Система испарительного охлаждения печи включается в параллельный циркуляционный контур котла. В большинстве случаев отработавший пар имеет низкое давление, загрязнен химическими и механическими примесями, а при переменных нагрузках производственных агрегатов образуются прерывистые потоки пара. Наиболее простой и доступный способ утилизации теплоты – использование его на отопление, бытовые и другие подобные нужды. В общем случае существуют три основные направления использования отработанного пара: для теплоснабжения, для выработки электроэнергии, для выработки электроэнергии и теплоснабжения. При значительных колебаниях расхода вторичного пара предусматривают установку пароводяных аккумуляторов. Сбросное низкопотенциальное тепло (50-120 С) чрезвычайно сложно использовать, так как трудно найти потребителей в достаточном количестве. Низкопотенциальные ВЭР обычно содержатся в жидкостях (иногда коррозионноактивных) и газах, от которых невозможно отвести теплоту, используя стандартное оборудование. Основные технические средства для утилизации теплоты низкопотенциальных ВЭР: 1) многоступенчатые установки с аппаратами мгновенного вскипания для использования теплоты загрязненных горячих стоков; 2) многоступенчатые аппараты типа «тепловая труба» для использования теплоты агрессивных жидкостей; 3) теплообменники для использования теплоты вентиляционных выбросов. Утилизацию теплоты загрязненных стоков осуществляют в аппаратах мгновенного вскипания. Горячая загрязненная жидкость поступает в камеру (испаритель), где поддерживается низкое давление. Вакуум соответствует температуре насыщения, которая на 5-10 С ниже температуры поступающей жидкости. За счет скрытой теплоты парообразования происходит вскипание поступающей жидкости. Над испарителем располагается конденсатор – охладитель пара, образовавшегося в процессах мгновенного вскипания. В трубное пространство конденсатора аппарата может поступать любая среда, которую необходимо подогреть. Соли и шламы, содержащиеся в исходной горячей жидкости, практически не попадают в трубы конденсатора, тем самым обеспечивается надежная работа аппарата. Проблему эффективного использования теплоты отходящих газов энергетических котлов и промышленных печей можно решить путем установки за ними контактных теплообменников с активной насадкой – КТАНов. Достоинства контактного теплообменника: УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 26 из 36 - Используется скрытая теплота конденсации водяных паров, при этом КПД возрастет до 9596 %. - Происходит естественная деаэрация воды. - Возможен нагрев жестких вод без предварительного умягчения. Практически испарение воды отсутствует, поэтому СаSО4 и МgSO4 не выпадают. - Контактные аппараты имеют малую металлоемкость из-за высоких значений коэффициентов теплоотдачи. Особенности процессов контактного тепломассообмена - Температура воды ограничена значением tм, после чего происходит только ее испарение. - Процесс охлаждения продуктов сгорания водой сопровождается взаимным массообменном за счет испарения либо конденсации воды. - Величина поверхности теплообмена зависит от гидродинамики потоков газа и жидкостей. Вопросы для самоконтроля 1 Как классифицируют вторичные энергоресурсы? 2 В каких случаях применение ВЭР наиболее рентабельно? 3 Какие сельскохозяйственные отходы можно отнести к ВЭР? 4 Что понимают под энерготехнологическим комбинированием? 5 Что относится к ВЭР избыточного давления? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 27 из 36 Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. Лекция 8 (1 час; 8 неделя) Тема. Использование возобновляемых источников энергии. Вопросы 1 Современное состояние и основные тенденции развития научных исследований в области использования возобновляемых источников энергии. 2 Традиционные и нетрадиционные источники энергии; запасы и ресурсы источников энергии. 3 Динамика потребления энергоресурсов и развитие энергетического хозяйства. 4 Экологические проблемы энергетики. 5 Место нетрадиционных источников в удовлетворении энергетических потребностей человека. 6 Использование энергии Солнца; физические основы процессов преобразования солнечной энергии. 7 Типы солнечных коллекторов; принципы их действия и методы расчетов. 8 Аккумулирование тепла; типы аккумуляторов и методы их расчета. 9 Солнечные электростанции. 10 Геотермальная энергия; тепловой режим земной коры, источники геотермального тепла. 11 Методы и способы использования геотермального тепла для выработки электроэнергии и в системах теплоснабжения. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 28 из 36 12 Проблемы и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для энергоснабжения объединенных и автономных потребителей. При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии - нетрадиционных и возобновляемых. Возобновляемые источники энергии - это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. Невозобновляемые источники энергии - это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека. Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента - гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию. По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стенаколлектор, кровля-коллектор и т. п.). Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Тепловое аккумулирование - это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ). Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования. Аккумулирующая система характеризуется способами, которыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 29 из 36 Под геотермикой (от греческих слов «гео» - земля и «термо» - тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов. Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1° С, называется геотермической ступенью.В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5-40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1 °С. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м. В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитер-мальные, мезотермальные и гипотермальные. К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды. К мезотермальным источникам относят источники с температурой воды 100-200 °С. В гииотермальных источниках температура в верхних слоях превышает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод. Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток. В настоящее время разработаны различные схемы использования термальных вод для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий. Вопросы для самоконтроля 1 Что понимают под нетрадиционными источниками энергии? 2 Каковы экологические проблемы энергетики? УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 30 из 36 3 В чем проблема использования возобновляемых ресурсов? 4 Перечислите виды солнечных коллекторов. 5 Почему проблема аккумулирования энергии так актуальна для нетрадиционной энергетики? 6 Назовите источники геотермального тепла. 7 Какие схемы использования геотермальной энергии наиболее перспективны? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 31 из 36 Лекция 9 (1 час; 9 неделя) Тема. Энергетическая безопасность страны. Экологические проблемы теплоэнергетики. Вопросы 1 Энергетические аспекты общей безопасности. 2 Понятие энергетической безопасности и задачи ее обеспечения. 3 Угрозы энергетической безопасности. 4 Обеспечение энергетической безопасности. 5 Аспекты энергетической безопасности в программе устойчивого развития Республики Казахстан. 6 Экологические аспекты энергетики. 7 Техника и технологии чистых производств. Энергетическая безопасность – состояние топливно-энергетического комплекса, обеспеченное соответствующими ресурсами, потенциалом и гарантиями независимо от внешних и внутренних условий, при котором удовлетворяются потребности хозяйствующих субъектов и населения в топливноэнергетических ресурсах в соответствии с установленными нормами охраны здоровья населения и экологии. Казахстан обладает значительными ресурсами возобновляемой энергии в виде гидроэнергии, энергии солнца, ветроэнергии, биомассы. Однако, помимо части гидроэнергии, эти ресурсы не нашли широкого применения вплоть до настоящего времени. Основной потребитель топлива в Казахстане – производство электроэнергии и тепла. Годовое потребление топлива этим сектором составляет около 30 млн. тут. В структуре топливного баланса электростанций основную роль играет уголь, доля которого составляет около 75%, доля газа 23%, доля мазута -2%. При существующих генерирующих мощностях наблюдается дефицит производства электроэнергии. Общая установленная мощность электростанций составляет около 18.7 тысяч МВт. Однако, существующие генерирующие мощности имеют значительный срок эксплуатации (25 и более лет), в связи с чем располагаемая мощность составляет порядка 14,6 тысяч МВт. В структуре генерирующих мощностей тепловые электростанции составляют 15.42 МВт, или 87% от общей мощности, доля гидростанций - около 12%, другие – около 1%. Учитывая значительную изношенность основных фондов потребуются значительные инвестиции в строительство новых электростанций для удовлетворения спроса на электроэнергию. Правительством Казахстана в 2007 г. принят План развития электроэнергетической отрасли Республики Казахстан до УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 32 из 36 2015 г. В соответствии с этим планом предусматривается ввод новых мощностей в размере 5598 МВт до 2015 г. в том числе на угле – 4250 МВт. Учитывая структуру размещения энергетических мощностей во всех регионах, за исключением энергоизбыточной северной зоны, где расположено около 60% генерирующих мощностей, будет сохраняться региональный дефицит мощности и электроэнергии. В Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, одобренной Указом Президента Республики Казахстан от 14 ноября 2006 г №216, предусматривается, что обеспечение устойчивого экономического развития Казахстана будет осуществлено путем поддержки экологически эффективного производства энергии, включая использование возобновляемых источников и вторичного сырья. Законами РК «Об электроэнергетики» и «Об энергосбережении» упоминается о необходимости развития и использования возобновляемых источников энергии, однако, каких-либо прямых мер по поддержке возобновляемых источников энергии не предусмотрено. В целях реализации Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 2007-2024 годы, предусмотрено совершенствование законодательства по вопросам устойчивого развития Республики Казахстан, в том числе возобновляемых ресурсов и альтернативных источников энергии. В этой связи, Министерством охраны окружающей среды РК, при участии МЭМР и проекта ПРООН по ветроэнергетике разработана Концепция Закона и проект Закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». В настоящее время активно ведется работа по развитию использования возобновляемых источников энергии. Министерством энергетики и минеральных ресурсов Казахстана и Программой развития ООН «Казахстан- инициатива развития рынка ветроэнергии» был разработан проект Национальной Программы развития ветроэнергетики до 2015г с перспективой до 2024 г.. (ПРОЕКТ). Национальная Программа развития ветроэнергетики направлена на вовлечение в энергетический баланс страны значительных ветроэнергетических ресурсов и, таким образом, поддержке планов по снижению энергоемкости экономики и увеличению доли альтернативных источников энергии в общем энергетическом балансе страны до 5% к 2024 г. и стабилизации выбросов парниковых газов на уровне 1990 гг. Целью Программы является – использование ветроэнергетического потенциала Казахстана для производства электроэнергии в обьеме 900 млн. кВч в год к 2015г и 5 млрд. кВтч. к 2024г в свете задач, поставленных в Концепции перехода Республики Казахстан к устойчивому развитию на 20072024 годы и Стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2003-2015 годы по сохранению природных ресурсов и окружающей среды. Человек с давних времен оказывает влияние на окружающую среду. В результате этого разносторонняя многовековая деятельность человека наложила глубокие следы на современный почвенный и растительный покров, воздушную и питьевую (водную среду), животный мир. Республика Казахстан не явля- УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 33 из 36 ется в этом смысле исключением. Неумелое хищническое вмешательство человека в природу нередко практиковалось в дореволюционный и советский периоды, да и далеко не изжито и сейчас. Антропогенный фактор или антронический, антронокультурный (терминология еще в литературе не устоялась) - может воздействовать прямо (преследование или истребление животных, отравление водоемов, завоз и акклиматизация, охрана и т.п.) и косвенно главным образом, через изменение ландшафта, вырубка лесов, распашка степей и т.д. По классификации имеющихся в стране экологических проблем их можно разделить на множество групп по степени их влияния на природную среду: - Глобальные экологические проблемы (результативный фактор влияния всех в остальных проблем, выраженный в виде резкого потепления климата или так называемые "озоновые дыры"). - Национальные экологические проблемы (Аральский и Семипалатинские регионы). - Исторические загрязнения. - Истощение и загрязнение водных ресурсов, а также связанные с интенсивным освоением ресурсов шельфа Каспийского моря. - Трансграничные экологические проблемы. - Влияние полигонов Военно-космического и испытательного комплексов. С их последствиями влияния на окружающую среду: радиоактивное, бактериологическое и химическое заражение. - Локальные экологические проблемы (загрязнение воздушного - водного бассейнов, промышленные и бытовые отходы, почвенная экология и т.д.). - Чрезвычайные ситуации природного и технологического характера. Вопросы для самоконтроля 1 Что понимают под энергетической безопасностью? 2 Каковы задачи обеспечения энергетической безопасности? 3 Какие угрозы энергетической безопасности существуют? 4 Каковы перспективы развития экологически чистой энергетики в Казахстане? 5 Что понимают под чистым производством? Рекомендуемые источники Основные Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М: Энергоатомиздат,1991.- 588с. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского. М: Химия, 1991.-496 с. Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции.- М.: МЭИ. 2000.-408с. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 34 из 36 Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989. - 365 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Справочное пособие. - М.: Стройиздат,1990.624с. Дополнительные Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания.-М.: ЛВОК-ПРЕСС.2003.-200 с. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы,2004.- 604 с. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ Под ред. Э.В. Сарницкого. - М.: Стройиздат, 1990. - 328с. Белосельский Б.С. Технология топлив и энергетических масел. М.: МЭИ, 2003. - 340с. Концепция индустриальной политики Республики Казахстан на период до 2010г. Справочник по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат,1987.- т.1-561 с.,т.2- 352 с. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / Под ред. Меренкова А.П..- Н.: Наука, 1992.- 234 с. 3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ Практические занятия – одна из форм учебного занятия, направленная на развитие самостоятельности студентов и приобретение умений и навыков. Практические занятия должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной формой подведения итогов самостоятельной работы студентов. Именно на этих занятиях студенты учатся грамотно излагать проблемы и свободно высказывать свои мысли и суждения, рассматривают ситуации, способствующие развитию профессиональной компетентности. Всё это помогает приобрести навыки и умения, необходимые современному специалисту. Практическая работа 1 (2 часа, 1 неделя) Тема. Расчет энергетических показателей ТЭС. УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 35 из 36 Практическая работа 2 (1 час; 2, 3 недели) Тема. Расчет энергетических характеристик теплотехнологических производств. Практическая работа 3 (1 час; 4,5 недели) Тема. Расчет характеристик теплоносителей, используемых в теплотехнологическом производстве. Практическая работа 4 (2 часа; 6,7 недели) Тема. Расчет потребности в энергии и тепле различных теплотехнологических процессов. Практическая работа 5 (1 час; 8,9 недели) Тема. Составление и анализ топливно-энергетических балансов промышленных предприятий. Практическая работа 6 (2 часа; 10,11 недели) Тема. Расчет показателей эффективности энергоиспользования в ТЭК и отраслях производства. Практическая работа 7 (2 часа; 12,13 недели) УМКД 042-18-6.1.112/03-2013 Ред. № _____ от «__» _________ 2013 г. Страница 36 из 36 Тема. Расчет энергетических потерь теплотехнологических установок и систем. Практическая работа 8 (2 часа; 14 неделя) Тема. Расчет гелио-, ветро - и биоэнергетических установок. Практическая работа 9 (2 часа; 15 неделя) Тема. Расчеты тепло - и массообменных аппаратов различных конструкций. 4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА МАГИСТРАНТА При кредитной системе обучения предъявляются высокие требования к повышению качества организации самостоятельной работы магистрантов, которая включает выполнение различных домашних заданий.
