Энергетический баланс предприятий

1. Материальный баланс предприятия

Энергетический анализ предприятия проводится для анализа эффективности использования энергии. Энергетическому балансу обычно предшествует материальный баланс.

Материальный баланс основан на законе сохранения вещества. В 1748 году М.В.Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения вещества, который звучал так: "Все перемены в Натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимается, столько присовокупиться к другому..."[1].

В соответствии с законом сохранения вещества можно составить следующий материальный баланс на реальном предприятии:

Σm_j^ВХ = Σm_j^ИСХ (1)

Здесь m_j^ВХ, m_j^ИСХ – масса входящего и исходящего продукта j-того потока соответственно.

В исходящем потоке всегда присутствуют полезный продукт m_j^ПОЛ и отходы производства[2] m_j^ОТХ. С учетом этого можно ввести коэффициент выхода полезного продукта:

(2)

Или с учетом состава исходящего продукта и (4.1), получаем:

(3)

Для составления и анализа материального баланса изображаются схемы технологических процессов, на которых указывается движение материальных потоков.

2. Энергия. Термины и определения

Энергетический баланс предприятия устанавливает соотношение между поступлением энергии, производством полезной работы или полезной теплоты и потерями энергии. Такое соотношение, записанное в математическом виде, называется уравнением энергетического баланса. Очевидно, что на основании энергетического баланса можно определить эффективность использования энергии. Для составления уравнений энергетического баланса, как отдельных технологических процессов, так и всего предприятия в целом, вспомним некоторые основные определения и понятия, связанные с энергией. Это тем более полезно, что в современной терминологии в области энергосбережения часто используются не точные физические определения, а их общеупотребительные аналоги. Это, несомненно, затрудняет понимание основ энергосбережения, поэтому следует уточнить некоторые понятия.

Основным понятием в области энергосбережения является энергия.

Энергия – способность материальных тел совершать работу. Эта способность имеет численную меру и измеряется в Дж (джоулях).

1 Дж = 1 Н (ньютон) х 1 м.

Существует еще ряд производных единиц (кВт.час, калория, кг условного топлива), которые связаны с основной единицей измерения энергии точными соотношениями.

Одним из основных законов физики является закон сохранения энергии, который устанавливает, что в открытой энергетической системе сумма входящих потоков энергии равна сумме выходящих потоков энергии. Математически это записывается следующим образом:

(4)

где W_i – i-тый поток входящей энергии, Дж;

W_j – j-тый поток выходящей энергии, Дж.

Более популярна следующая редакция закона сохранения энергии. Энергия не исчезает и не появляется, а преобразуется из одного вида в другой при производстве работы. Такая трактовка закона сохранения энергии вынуждает усомниться в корректности термина "Потери энергии". Действительно, если энергия не исчезает, то ее нельзя и потерять. Под потерями энергии следует понимать преобразование энергии при производстве ненужной (не заказанной) работы.

Осмысления требует и термин "Потребление энергии". Потребление чего-либо подразумевает уничтожение, поэтому применение этого термина к энергии так же не совсем корректно и требует пояснений. Под потреблением энергии следует понимать ее преобразование в другой вид при производстве работы. Например, затратив кинетическую энергию какого-либо движущегося тела, мы можем сжать пружину, то есть произвести работу по ее сжатию. Кинетическая энергия движущегося тела (вся или ее часть) при производстве этой работы преобразуется в потенциальную энергию сжатой пружины.

Отметим, что не всегда работа полезна, то есть желаема. Более того, невозможно преобразовать только такую часть энергии, которая необходима для выполнения полезной работы. Всегда полезную работу сопровождает побочная (не полезная) работа. Так при производстве работы по сжатию пружины часть кинетической энергии тела, сжимаемого пружину, преобразуется в производство тепла, то есть, преобразуется в тепловую энергию атомов и молекул материала пружины.

Теперь можно уточнить понятие коэффициента полезного действия при производстве работы.

Коэффициент полезного действия показывает долю полезной работы во всей произведенной работе при преобразовании энергии:

(5)

где А_ПОЛ – полезная работа, Дж;

А_Σ – вся произведенная работа, Дж;

А_ПОБ – побочно произведенная работа, Дж.

Учитывая, что любая произведенная работа по определению численно равна преобразованной при ее производстве энергии, можно записать:

(6)

Здесь W_пол – энергия, затраченная на производство полезной работы, Дж;

W_ПОБ – энергия, затраченная на производство побочной работы, Дж;

W_Σ – вся энергия, преобразованная в полезную и побочную работу, Дж.

В формуле (6) вместо "потерь энергии" применяется "побочно преобразованная энергия", то есть, та часть энергии, которая преобразуется в другой вид энергии при производстве побочной работы. Такая формулировка к.п.д. соответствует физическим понятиям энергии.

Отметим, что в процессе производства полезной работы, побочная работа не всегда имеет тот же вид, а энергия, преобразуемая при производстве побочной работы, не всегда преобразуется в тот же вид, что и при производстве полезной работы.

Еще одним термином, требующим уточнения, является "Источник энергии". Действительно, так как по закону сохранения энергии она не появляется, то, строго говоря, не может быть и источника (то есть, производителя) энергии. Под источником энергии следует понимать материальный объект, обладающий способностью производить какую-либо работу. Например, ископаемое топливо при горении может выделять тепло, то есть, преобразовывать энергию химических соединений в тепловую энергию. Заметим здесь, что при производстве работы можно полностью уничтожить (потребить, потерять) материальный объект[3], но нельзя даже частично уничтожить энергию – можно только лишь преобразовать ее из одного вида в другой. Неточности термина устраняются, если указывается вид энергии, например, генератор – источник электрической энергии.

Таким образом, вид энергии является важным понятием и следует вспомнить природу ее основных (известных) видов.

1. Тепловая энергия (теплота) – энергия, выделяемая при горении (окислении вещества), при нагреве (увеличении амплитуды и частоты колебания молекул и атомов), в процессе химических реакций (изменении орбитальных характеристик валентных электронов).

2. Механическая энергия – энергия, связанная с перемещением тел. Механическая энергия может быть кинетической (принадлежащей уже перемещаемым материальным объектам) или потенциальной (могущей перемещать материальные объекты).

3. Электрическая энергия – энергия, обусловленная взаимодействием заряженных частиц. Электрическая энергия может быть электростатической, обусловленной взаимодействием неподвижных заряженных частиц, и электромагнитной, обусловленной движением заряженных частиц. Иногда выделяют магнитную энергию, обусловленную взаимодействием магнитных доменов, представляющих собой микроконтуры тока, по которым движутся электроны атома. По аналогии с механической энергией, электростатическую энергию можно считать потенциальной, а электромагнитную кинетической.

4. Ядерная энергия – энергия взаимодействия компонентов атома.

5. Мускульная энергия – энергия взаимодействия белковых молекул.

Отметим, что энергия может преобразовываться из вида в вид и без участия человека, производя при этом не заказанную работу. Иногда удается использовать такие (естественные) преобразования энергии, что весьма эффективно для человечества, так как не требуется создания соответствующих преобразователей. Например, энергия солнечного излучения преобразуется в процессе фотосинтеза в растениях в энергию углеводородных связей, которая впоследствии может быть использована для получения тепла.

Отметим, что энергию можно перемещать в пространстве. Строго говоря, этот процесс связан с перемещением носителей энергии (источников энергии, то есть, материальных объектов, способных производить работу). Но с перемещением носителей энергии меняется место в пространстве, где можно использовать их способность производить работу. Перемещение энергоносителей называют транспортированием энергии.

Иногда можно направлять потоки энергии, например, при помощи проводников тока можно задавать направление и путь передачи электроэнергии. Такое явление еще больше соответствует термину "Транспортирование энергии".

Еще одним свойством энергии является сохранение в течение достаточно длительного времени способности производить работу без производства самой работы. Часто энергию специально преобразуют в вид, удобный для длительного сохранения этого свойства без производства работы. Такое преобразование называется аккумулированием энергии, а устройства, позволяющие длительно сохранять такое состояние называются аккумуляторами энергии. Естественно, аккумулирование применяется для обязательного последующего производства работы с преобразованием энергии в вид, предшествующий аккумулированию. Например, при сжатии пружины кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию сжатой пружины, и этот вид может сохраняться длительное время. Впоследствии пружину можно освободить, при распрямлении она произведет какую-то работу, преобразуясь в кинетическую энергию движущихся масс. Другой пример, электромагнитную энергию можно использовать для зарядки электрохимического аккумулятора, преобразовав ее в электростатическую энергию заряженных пластин. В таком виде энергия может оставаться (храниться) длительное время. При последующем производстве работы (замыкании аккумулятора на внешнюю электрическую цепь) электростатическая энергия преобразуется в электромагнитную энергию перемещаемых заряженных частиц.

На основании приведенных примеров отметим некоторые основные свойства аккумуляторов энергии.

1. Зарядка аккумуляторов производится путем преобразования энергии кинетического вида в потенциальный вид, в котором она и храниться.

2. При разрядке аккумулятора потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию предшествующего вида.

3. В соответствии с основным свойством энергии, любые ее преобразования происходят с производством побочной работы, поэтому аккумулировать и освобождать энергию можно только с к.п.д. меньше единицы. То есть, неизбежны потери (не полезное преобразование энергии) как при аккумулировании, так и при высвобождении энергии.

Эти свойства аккумулирования энергии обязательно надо учитывать при создании соответствующих энергетических систем. Обычно энергия аккумулируется в период ее неизбежного избытка и освобождается при естественном дефиците. Например, имеет смысл аккумулировать солнечную энергию в светлое время суток и освобождать ее для освещения в темное время суток.

В заключение отметим, что энергия (способность материальных объектов производить работу) существует только в среде потенциальных полей. Характеристики наиболее применяемых энергетических полей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Энергетические поля