Стоимость электрической энергии, прямо или косвенно затрачиваемой адиабатическим увлажнителем Для работы увлажнителей энергия тратится не только на превращение воды в пар. Кроме производства теплоты все установки затрачивают электрическую энергию на собственные нужды. Эти затраты энергии, которые достигают для адиабатических установок значительной величины, являются следствием одного или нескольких факторов, перечисленных ниже (см. рис. 1). Основные потребители электроэнергии в увлажнителях К основным потребителям электроэнергии относятся, в основном, следующие двигатели:❏ электродвигатели роторных увлажнителей;❏ насосы для поднятия давления воды;❏ компрессоры для сжатия воздуха;❏ колебательные контуры в ультразвуковых увлажнителях. Мощность этих устройств пропорциональна объему распыляемой воды. Для удобства эту энергию можно выразить как удельное энергопотребление установки на единицу массы распыляемой воды SMEC, кВт⋅ч/(кг пара). Если годовую потребность в увлажнении обозначить Qhum.yr [(кг пара)/год], то годовые затраты электроэнергии составят:YMEC = Qhum.yrSMEC, кВт⋅ч/год. Энергопотребление вспомогательных устройств Вспомогательные устройства включают в себя:❏ рециркуляционный насос в увлажнителях с водяными баками;❏ электродвигатель для вращения барабана увлажнителя;❏ вентиляторы, распределяющие аэрозоль в воздухе. Вспомогательные механизмы затрачивают энергию на приведение в движение различных элементов увлажнителя. Мощность этих механизмов более или менее постоянная, поэтому, независимо от производительности установки, затраченная энергия пропорциональна продолжительности работы увлажнителя. В этом случае для простоты сравнения потребляемую энергию установки можно выразить в виде удельной величины, равной отношению потребляемой мощности увлажнителя к его номинальной производительности Gv.hum.nom, выраженной в [(кг пара)/ч], что даст удельное энергопотребление вспомогательных устройств SAEC в [кВт⋅ч/(кг пара)]. Пусть YHOH — количество часов работы увлажнителя в год. Тогда годовое потребление энергии вспомогательных устройств можно рассчитать по следующему уравнению:YAEC = (Gv.hum.nomSAEC)YHOH, кВт⋅ч/год. Косвенные затраты энергии на циркуляцию горячей воды для проведения предварительного/окончательного подогрева воздуха Теплота, которую необходимо компенсировать при понижении температуры воздуха в процессе адиабатного увлажнения, обеспечивается теплообменниками предварительного и/или окончательного подогрева, в которые подается горячая вода от теплоцентрали. Очевидно, что для работы циркуляционного насоса требуется дополнительная электроэнергия. Удельный расход горячей воды Qw.sp, которая необходима для компенсации тепла, затрачиваемого на испарение 1 кг воды при 20 °С в изоэнтальпийном процессе — 2454 кДж/(кг пара) — рассчитывается по формуле: где r20 °С — скрытая теплота парообразования при 20 °С, кДж/(кг пара); cw — теплоемкость воды, кДж/(кг⋅°С); Δtw — разность температур воды на входе и выходе теплообменника, °C. Расход воды, рассчитанный по формуле: Gw = Gw.spGv.hum.peak, кг/ч (л/ч),представляет собой довольно большую величину и в среднем равен 20–30 % от расхода горячей воды, затрачиваемого на подогрев воздуха зимой. Предположим, что разность температур горячей воды на теплообменнике составляет 10 °С. Тогда для производства 1 (кг пара) необходимо подать горячую воду в количестве около 60 кг (60 л). Если допустить, что внешнее давление на насосе составляет 2 бара при нормальном КПД насоса средней мощности, то удельное энергопотребление насоса, обозначаемое, как SPEC, будет равно 10–12 Вт/(кг/ч пара). За исключением насосов с переменной скоростью вращения, это энергопотребление соответствует затратам на циркуляцию горячей воды (которая иногда частично перепускается через третий штуцер регулирующего клапана теплообменника) и является постоянной величиной, не зависящей от фактической потребности в увлажнении. Эта величина пропорциональна YCOH, т.е. количеству часов работы системы кондиционирования. Годовое энергопотребление устройств этого типа описывается уравнением: YPEC = (Gv.hum.nomSPEC)YCOH, кВт⋅ч/год. Энергия, необходимая для преодоления аэродинамического сопротивления увлажнителя Эти затраты энергии характерны для адиабатических увлажнителей, установленных в воздуховодах или системах кондиционирования воздуха, и необходимы для преодоления аэродинамического сопротивления брызго-уловителей и, в случае использования установок со смоченным наполнителем, самого увлажнителя. Теоретическая мощность Wteor, затрачиваемая на прокачку воздуха, описывается уравнением: где Ga — расход воздуха, (кг сухого воздуха)/с; ρa — плотность воздуха, (кг сухого воздуха)/м3; Δр — аэродинамическое сопротивление, Па. Обозначив полный расход воздуха как Va [м3/ч] и предположив, что плотность воздуха ρа = 1,2 кг/м3, получим мощность WΔp, необходимую для преодоления аэродинамического сопротивления Δр:WΔp = 6–9 × 10–7(VaΔр), кВт. Обратите внимание, что мощность зависит от КПД электродвигателя и вентилятора и увеличивается с увеличением размеров установки. Таким образом, годовое потребление электроэнергии на прокачку воздуха равно: YPDC = WΔpYCOH, кВт⋅ч/год, где YCOH означает количество рабочих часов в году. Фактически, эта энергия, которая физически выражает потери энергии на преодоление препятствий, затрачивается даже тогда, когда в увлажнении нет необходимости, например, при охлаждении воздуха. Данная энергия представляет собой довольно значительную величину: действительно, система кондиционирования с расходом воздуха 30 тыс. м3/ч (что типично для трехэтажного офисного здания с площадью помещений 1500 м2), работающая 5000 ч в году при аэродинамическом сопротивлении воздушных каналов 150 Па, составляет около 17 тыс. кВт⋅ч/год! Данные затраты энергии не относятся к пористым барабанным увлажнителям, поскольку в них отсутствуют брызго-уловители. Пусть EEUC [евро/кВт⋅ч] — стоимость электроэнергии, потребляемой увлажнителем. Тогда общие годовые расходы на электроэнергию YEEC с учетом каждого из описанных выше факторов составят: YЕЕС = EEUC(YMEC + YAEC + YPEC + + YPDC), евро/год. Типичные значения удельного энергопотребления SMEC, SAEC, SPEC, используемые для расчета годовых затрат электроэнергии на вспомогательном оборудовании, приведены в табл. 1.Потери энергии за счет теплового рассеивания в окружающую среду (в изотермических увлажнителях)Это явление особенно характерно для изотермических увлажнителей, в которых расход пара, используемого доя увлажнения, меньше, чем количество энергии, переданное кипящей воде из-за рассеяния тепла в самой установке и системе парораспределения. Соответствующий КПД ηloss определяется с помощью следующего выражения:ηloss = ηsηdrηc,где ηs — сезонный КПД бойлера, который равен произведению коэффициента ηth (полученного с учетом теплообмена между бойлером и окружающей средой) и коэффициента ηi (полученного с учетом нестационарной или регулируемой работы установки); ηdr — КПД установки, связанный с теплотой, выводимой при дренаже горячей воды, который используется для поддержания концентрации электролитов на уровне, необходимом для нормальной работы установки. Поддерживая заданную концентрацию солей в бойлере в стационарных условиях, получим, что КПД ηdr будет зависеть только от характеристик подпиточной воды. При использовании нормальной необработанной питьевой воды (с электрической проводимостью 300–500 мкСм/см) КПД ηdr равен 97–99 %.Обработка воды может значительно изменить этот параметр, как показано в следующем примере. Пример 1. Рассчитать коэффициент дренирования и КПД электрического бойлера, в который подается вода с высокой концентрацией соли (отношение временной жесткости воды к общей жесткости равно 28 °F/54 °F, а начальная электрическая проводимость воды составляет σ20 = 800 мкСм/см), для следующих случаев: необработанная вода, умягченная вода. Предположим, что проводимость кипящей воды в стационарных условиях эксплуатации α100 = 5000 мкСм/см.Необходимо рассчитать для обоих случаев затраты, связанные с дренированием воды, при паропроизводительности установки Qhum.yr = 40000 кг/год и удельной стоимости энергии EUC = 0,08 евро/(кВт⋅ч), что соответствует текущей стоимости производства пара SSPC = 0,061 евро/(кг пара).1. При использовании необработанной воды коэффициент дренирования должен составлять ΔR ≈ (χin.s/χfin) = 0,23. Соответствующий КПД дренирования равен ηdr = 96 %.Годовые затраты на энергию, ушедшую на парообразование, составляют: YEC = Qhum.yrEUC = 40000 × 0,061 = 2440 евро/год. Затраты на энергию, потерянную с дренажной водой, составляют:2440 × (1/ηdr – 1) = 2440 × (1/0,96 – 1) = 100 евро/год.2. При снабжении бойлера такой же водой, но прошедшей умягчение, коэффициент дренирования составит ΔR = 0,62, а КПД ηdr = 79 %.Затраты на энергию, потерянную с дренажной водой, составят:2440 × (1/0,79 – 1) = 650 евро/год. Отсюда видно, что умягчение, хотя и позволяет избежать образования накипи, но ведет к увеличению производственных затрат в пропорции, которая иногда бывает совершенно недопустимой, как в рассмотренном выше случае. Деминерализация воды, напротив, уменьшает как коэффициент дренирования, так и связанные с ним потери энергии почти до нуля. ηс — КПД, связанный с конденсацией пара в транспортных паропроводах и в системе распределения пара. Как уже отмечалось, скорость течения пара незначительно влияет на теплообмен паропровода с окружающей средой, и поэтому количество теплоты, ушедшей наружу, определяется, в основном, физическими характеристиками установки (длиной, диметрами труб, материалами, теплоизоляцией линий). При работе увлажнителя конденсация пара происходит почти постоянно, поэтому КПД ηс возрастает пропорционально моментальной паропроизводительности. Пример 2. Оценить работу автономного изотермического увлажнителя с номинальной паропроизводительностью Gv = 30 (кг пара)/ч, соединенного шлангом из эластомера длиной 5 м с металлическим паропроводом длиной 1,2 м и диаметром 40 мм, установленным внутри воздуховода, скорость воздуха в котором равна 4 м/с. Необходимо рассчитать:❏ внутренний диаметр шланга при условии, что его аэродинамическое сопротивление не более 500 Па (100 Па/м) при полной паровой нагрузке;❏ конденсацию пара в нетеплоизолированном шланге и шланге, теплоизолированном слоем пенополиуретана толщиной 12 мм, теплопроводность которого равна l = 0,04 Вт/(м⋅°С).❏ конденсацию пара в нетеплоизолированном паропроводе и паропроводе, теплоизолированном слоем керамического пластика толщиной 2 мм, теплопроводность которого равна λ = 0,02 Вт/(м⋅°С).Внутренний диаметр шланга, удовлетворяющий заданным условиям, должен быть равен 40 мм. Оценим количество конденсата, образующегося в шланге за 1 ч, и получим, что оно равно 5 м × 124 (г пара)/(ч⋅м) = 620 (г пара)/ч для нетеплоизолированного шланга и 5 м × 55 (г пара)/(ч⋅м) = 275 (г пара)/ч для теплоизолированного шланга. Оценим количество конденсата, образующегося в паропроводе за 1 ч, и получим, что оно равно 1,2 м × 800 (г пара)/(ч⋅м) = 960 (г пара)/ч для нетеплоизолированного паропровода и 1,2 м × 140 (г пара)/(ч⋅м) = 165 (г пара)/ч для теплоизолированного паропровода. В заключение отметим, что интенсивность конденсации может изменяться в зависимости от используемых материалов паропровода в следующих пределах:❏ 1580 (г пара)/ч для паропроводов без теплоизоляции, что составляет 5 % от максимальной производительности увлажнителя (или 15 % при работе увлажнителя с производительностью треть от номинальной);❏ 440 (г пара)/ч для паропроводов с теплоизоляцией, что составляет 1,5 % от номинальной производительности увлажнителя. Пример 3. Парораспределитель состоит из коллектора диаметром 80 мм и длиной 1,4 м и трех патрубков диаметром 60 мм и длиной 1,2 м. Парораспределитель установлен в воздуховоде, скорость воздуха в котором равна 4 м/с, и который снабжается паром от централизованной системы парораспределения через теплоизолированный паропровод с внутренним диаметром 60 мм и длиной 70 м. Номинальный расход пара в распределителе составляет Gv = 150 (кг пара)/ч.Необходимо рассчитать:❏ паразитную реконденсацию пара в соединительном паропроводе;❏ паразитную реконденсацию пара в нетеплоизолированном распределителе и распределителе, покрытом теплоизоляцией из керамического пластика толщиной 2 мм, теплопроводность которого равна l = 0,02 Вт/(м⋅°С).Оценим количество конденсата, образующегося в изолированном транспортном паропроводе за 1 ч, и получим, что оно равно70 м × 80 (г пара)/(ч⋅м) = 5600 (г пара)/ч.Оценим количество конденсата, образующегося в распределителе за 1 ч, и получим, что оно равно1 × 1,4 м × 1350 (г пара)/(ч⋅м) ++ 3 × 1,2 м × 1050 (г пара)/(ч⋅м) = 5800 (г пара)/ч для нетеплоизолированного парораспределителя и1 × 1,4 м × 260 (г пара)/(ч⋅м) ++ 3 × 1,2 м × 200 (г пара)/(ч⋅м) = 1080 (г пара)/чдля теплоизолированного парораспределителя. Конденсация равна 11 400 (г пара)/ч (т.е. 7,5 % от номинальной производительности) для первого случая, а для второго случая — 6900 (г пара)/ч (т.е. 4,5 % от номинальной производительности) для второго случая. Несмотря на то, что количество сконденсировавшегося пара практически не зависит от текущей производительности увлажнителя, средние потери энергии в результате конденсации могут быть приблизительно выражены через КПД установки:❏ ηс = 97–98 % для автономных увлажнителей;❏ ηс = 92–94 % для централизованных увлажнителей .Таким образом, в результате расчета общие годовые затраты YECleak в евро/год из-за потерь вследствие рассеяния теплоты составляют: где YEC — затраты на производство теплоты, необходимой для перехода воды в пар. ❏