Дефект массы

1. Дефект массы.

Опираясь на теорему вириала (1870 г. Клаузиус) которая гласит, что во всякой связанной системе движущихся тел, находящейся в состоянии динамического равновесия, средняя во времени энергия их связи друг с другом по своей абсолютной величине в два раза больше средней во времени суммарной кинетической энергии движения этих тел относительно друг друга:

Е_СВ = - 2Е_КИН (1)

Фоминский делает вывод, что суммарная масса-энергия вращающейся системы связанных тел уменьшается с увеличением скорости вращения и она равна ее полной (релятивистской) энергии за вычетом энергии связи:

Е_Σ = Е_П - Е_СВ (2)

а масса вращающейся системы связанных тел не возрастает с увеличением скорости их вращения согласно формуле релятивистского возрастания массы

 (3)

а наоборот, уменьшается:

 (4)

Уменьшению массы системы на величину Dm соответствует изменение энергии (формула Эйнштейна):

DЕ = Dm · с². (5)

Такая энергия должна уйти из системы, приводимой во вращение, например, излучится. Излучаемая энергия DЕ в соответствии с (2) равна изменению энергии связи Е_СВ между этими телами.

Таким образом, энергия связи это недостача у системы некоторого количества массы - энергии до величины, равной сумме тех масс - энергий отдельных тел, составляющих систему, которой они обладали до объединения в систему.

Делая вывод, Л.П. Фоминский утверждает, что в соответствии с теоремой вириала изменение энергии связи системы тел при ускорении ее вращения должно быть по абсолютной величине в два раза больше, чем изменение кинетической энергии вращения этой системы.

2. Химические реакции.

Л.П. Фоминский предполагает, что аналогично тому, как заряженная вращающаяся частица порождает магнитное поле, так и вращающаяся, но не заряженная частица может создавать поле вращения - торсионное поле, которое направлено вдоль оси вращения порождающего его тела и обладает бесконечно большой скоростью распространения. Носителями этого поля являются тахионы.

Исследователи торсионных полей давно обратили внимание на то, что эти поля часто изменяют ход кристаллизации расплавов. Исходя из этого Фоминский делает еще одно предположение - похоже, что торсионные поля, поворачивая спины реагирующих частиц (электронов, протонов и даже ядер атомов) могут стимулировать химические реакции взаимодействия воды с солями и другими растворенными в ней веществами, которые при обычных условиях идут плохо или совсем не идут. Ю.С. Потапов, по словам Фоминского, давно уже подметил, что добавка в пресную воду теплогенератора всего лишь примерно 10% морской воды ведет к повышению теплопроизводительности на 10 - 20%. Это происходит по-видимому потому, что в морской воде растворены самые разнообразные химические элементы.

Еще одним существенным стимулятором протекания химических реакций является, как говорилось выше, кавитация, возникающая вблизи тормозных устройств.

3. Ядерные реакции.

Фоминский предположил, что результатом действия торсионного поля в теплогенераторе Потапова является ядерная реакция:

 (6)

Откуда же берутся два протона и электрон?

Молекула воды хорошо изучена (рис.10). Электроны атомов водорода занимают вакантные места в наружной электронной оболочке атома кислорода и становятся общими электронами атомов кислорода и водорода. Они большую часть времени проводят между ядром атома кислорода и ядром атома водорода.

В результате атом водорода, имеющий всего один электрон, с противоположной стороны оказывается как бы оголенным от "электронного облака". Поэтому молекула воды выглядит как пушистый (из-за электронных облаков) шарик, на поверхности которого имеется два маленьких положительно заряженных бугорка - ядер атомов водорода (рис.7. Угол между прямыми линиями, соединяющими ядра атомов водорода с ядром атома кислорода в молекуле воды, составляет 104,5 °.

Рисунок 10 - Ковалентные связи в молекуле воды.

У одного атома кислорода и двух атомов водорода появляются общие электроны, в результате чего их электронные оболочки заполняются до конца и образуется прочная молекула Н₂О.

Рисунок 11 - Водородная связь.

Положительно заряженный бугорок одной молекулы воды и отрицательно заряженный край (изолированная электронная пара) другой молекулы устанавливаются строго напротив друг друга. В результате наличия положительных зарядов на поверхности молекулы, расположенных не напротив друг друга, а с одной её стороны, молекула воды является электрическим диполем, и вода обладает наибольшей среди всех веществ диэлектрической проницаемостью ε » 81.

Каждая молекула воды своими положительно заряженными бугорками-протонами притягивается к той стороне соседней молекулы воды, с которой нет таких бугорков и которая заряжена отрицательно из-за наличия там электронных облаков. В результате такого притяжения между молекулами воды и возникает связь, которую называют водородной связью из-за того, что она обусловлена ядрами атомов водорода - протонами, находящимися на этой связи. Ну а поскольку бугорки-протоны во всех молекулах воды расположены под одним и тем же определенным углом, то вода в твердом состоянии имеет строго упорядоченную (кристаллическую) структуру льда.

Рисунок 12 - Образование ориентационных дефектов. Перескок протона на соседнюю водородную связь приводит к возникновению пары ориентационных дефектов. Такой перескок протона можно рассматривать как поворот молекулы воды на 120°.

Но иногда и в строгом мире кристаллов, а тем более в жидкой воде с её квазикристаллической структурой, случаются осечки, и в силу той или иной причины (флуктуации, удара фотоном иди др.) протон выбивается с водородной связи и оказывается на соседней. В результате на последней оказываются сразу два протона, занимающих обе разрешенные позиции. Такие водородные связи называют "ориентационно дефектными".

Для протекания ядерной реакции необходима параллельная ориентация спинов обоих протонов. Но параллельная ориентация спинов двух протонов на одной водородной связи запрещена принципом Паули. По мнению Л.П. Фоминского переворачивание спина осуществляется торсионным полем. При этом принцип Паули не нарушается, так как торсионное поле сообщает протону дополнительную энергию, в результате чего протон оказывается на другом энергетическом уровне.

Когда спины обоих протонов на ориентационно-дефектной водородной связи оказываются параллельными, уже ничто не мешает этим протонам вступить в ядерную реакцию.

Но откуда взять электрон? Здесь на помощь Фоминскому пришла гипотеза Л.Г. Сапогина, предлагающая новое объяснение туннельного эффекта. Сапогин объясняет туннелирование следующим образом. Заряд элементарной частицы не постоянен во времени, а периодически изменяется (осциллирует) с чудовищно большой частотой, то возрастая до максимума, то уменьшаясь до нуля по гармоническому закону. В добавок к предыдущей идее он предположил, что и масса электрона тоже осциллирует во времени по гармоническому закону в пределах от нуля до максимума. Автор гипотезы утверждает, что находясь на ближайшей к ядру атома К-орбитали, электрон совершает квантовые скачки в пределах орбитали не беспорядочно, как думали физики, а сквозь ядро атома, каждый раз туннелируя сквозь него. Благополучно электрон туннелирует благодаря тому, что в это мгновение значение заряда и массы электрона близки к нулю, а потому он, в силу закона сохранения импульса, в это время должен развивать очень большую скорость движения сквозь ядро атома.

Таким образом в одной точке пространства оказываются протон и электрон, фигурирующие в уравнении ядерной реакции. При этом суммарный электрический заряд протона и электрона оказываются близким к нулю, и если в этот момент к ним приближается еще один протон, то ему уже не придется преодолевать высокий кулоновский барьер. Потому такие трехчастичные столкновения могут случаться даже чаще, чем столкновения с двумя протонами, ведущие к сближению их на ядерные расстояния.

Реакция (8) ведет к наработке дейтерия, который в свою очередь участвует в других ядерных реакциях:

 (9) (10)

И хотя унос львиной доли теплоты нейтрино и g - квантом лишает нас надежд достичь в теплогенераторе Потапова высоких выходов дополнительного тепла за счет ядерных реакций, полученные результаты вселяют надежды на использование установки в качестве генератора дейтерия, гелия-3 и особенно трития, производство которого другими способами весьма сложно, дорого и опасно.

Конечно, все это настоятельно требует чтобы было обращено самое серьезное внимание на дальнейшие исследования вихревого теплогенератора Потапова.

3. Технические предложения по реконструкции системы теплоснабжения музея-заповедника "Витославицы"

Котельная № 48 находится на балансе предприятия МУП "Теплоэнерго". Она обеспечивает теплом и горячей водой музей-заповедник деревянного зодчества "Витославицы". План котельной приведен ниже.

Установленная мощность: 2´1,21 = 2,42 ГДж/час.

Подключенная нагрузка: всего 0,66 ГДж/час, из них

на отопление - 0,38 ГДж/час;

на горячее водоснабжение - 0,280 ГДж/час.

График работы котельной - 95/70.

На котельной в данный момент установлено два чугунных котла типа "Универсал-6" (рис.13) 1973 года выпуска. Эти котлы уже полностью выработали свой ресурс и поэтому, в ближайшем будущем, планируется реконструкция котельной с заменой старых, малоэффективных котлов на новые, более экономичные и имеющие высокий КПД теплогенераторы. Режимная карта на водогрейный котел типа "Универсал-6" приведена в таблице 1.

Достоинствами чугунных котлов являются небольшие габариты и легкая транспортабельность, почти полное отсутствие обмуровки, удобство очистки от наружных загрязнений, простота монтажа при установке и замене секций, возможность набирать необходимую величину поверхности нагрева. Чугунные котлы значительно меньше подвержены кислородной коррозии, так как на литых чугунных поверхностях образуется плотная литейная корка, содержащая кремнезем и обладающая весьма высокими защитными свойствами.

К недостаткам чугунных котлов относятся: малая надежность в работе (растрескивание одной или нескольких секций) и частые остановки на ремонт. Основной причиной растрескивания секций является превышение допустимого предела прочности металла в эксплуатационных условиях вследствие ухудшения отвода тепла от стенки из-за появления на ее внутренней поверхности слоя накипи и недостаточной скорости циркуляции воды.

Рисунок 13 - Чугунный секционный котел "Универсал": 1 - штуцер для присоединения трубопровода горячей воды; 2 - ниппеля: 3 - средние секции; 4 - стяжной болт; 5 - задняя лобовая секция; 6 - штуцер присоединения обратного трубопровода; 7 - поворотные колосники; 8 - зольная дверка; 9 - привод поворотных колосников; 10 - шуровочная дверка; 11 - кирпичный свод в топке; 12 - боковые дымоходы.

Таблица 1 - Режимная карта на водогрейный котел типа "Универсал-6"

Наименование параметров	Тепловые нагрузки,%
	40	83
Производительность, ГДж/час	0,490	1,005
Давление воды на котле, МПа	0,14	0,14
Давление воды до котла, МПа	0,16	0,16
Низшая теплота сгорания газа, кДж/м3	33513	33513
Число газовых горелок, шт	2	3
Давление газа перед горелками, МПа	0,015	0,025
Разрежение в топке, мм в. ст.	1,2	2,0
Температура воздуха перед горелками, °С	20	20
Температура уходящих газов, °С	121	149
Разрежение за котлом, мм в. ст.	1,9	2,5
Состав уходящих газов,%: СО2 О2	8,8 5,3	10 3,2
Расход газа на котел, м3/час	18,4	35
Коэффициент избытка воздуха	1,34	1,18
Потери тепла,%: с уходящими газами в окружающую среду	5,38 15,22	6,16 8,00
Температура газа, °С	23	21
КПД	79,40	85,84
Удельный расход топлива, м3/ГДж	157,3	145,8
Удельный расход условного топлива, кг/ГДж	179,8	166,7

Нормальную работу котельной круглосуточно контролируют 4 машиниста, что является дополнительным стимулом для ее реконструкции: заработная плата машинистов больше суммарной стоимости произведенного на котельной тепла.

Не менее важными причинами для проведения реконструкции так же являются:

отсутствие на котельной автоматики регулирования. Температура горячей воды, идущей на отопление и горячее водоснабжение музея не зависит от температуры наружного воздуха. Регулирование осуществляется периодически, что приводит к дополнительным потерям тепла, а, следовательно, к бесцельному сжиганию топлива, что резко снижает экономическую эффективность котельной.

регулярное обслуживание газового оборудования. Сюда входит:

проверка исправности газорегуляторной установки (ГРУ) без разборки;

техническое обслуживание ГРУ с разборкой оборудования;

техническое обслуживание, ремонт и проверка газового счетчика;

техническое обслуживание и ремонт автоматики и газового оборудования;

ремонт и проверка контрольно-измерительных приборов.

Текущий ремонт (техническое обслуживание газорегуляторной установки) и техническое обслуживание автоматики необходимо проводить раз в месяц, техническое обслуживание газовых счетчиков - раз в три месяца, а плановый ремонт ГРУ - раз в год. Все это требует не малых финансовых затрат.

планово-предупредительные ремонты основного и вспомогательного оборудования котельной. Так как данные котельные агрегаты проработали уже 28 лет (при нормативном сроке службы в 20 лет), они требуют более частых и тщательных текущих и капитальных ремонтов, более внимательного повседневного обслуживания.

экология. Котельная находится в музее-заповеднике, где собраны ценнейшие образцы народного деревянного зодчества. Их необходимо сохранить для будущих поколений. При таких условиях вредные выбросы, естественно, крайне не желательны.

Для теплоснабжения музея-заповедника "Витославицы" предлагается установить два теплогенератора "Юсмар-1М", технические характеристики которого приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Технические характеристики теплогенератора "Юсмар - 1М"

Наименование параметра	Значение параметра
Мощность электродвигателя насоса, кВт	2,8
Напряжение сети, В	380
Число оборотов электродвигателя, об/мин	2900
Рекомендуемые марки водяного насоса	ЦГ 12,5/50-К-4-2 КМ-20-30
Напор, м	32 - 50
Подача, м3/час	8,0 - 12,5
Обогреваемая площадь, кв. м	90-100
Средний расход электроэнергии на обогрев помещения с заданной в п.4 площадью, кВт/ч	1,4
Теплопроизводительность, ккал/ч	3498
Масса установки (с бойлером), кг	130
Объем воды в отопительной системе (ориентировочно), л	70-100
Стоимость полного комплекта (теплогенератор, насос, бойлер, система управления), $	1300
Номинальная температура нагрева системы, °С	40 - 60
Максимальная температура жидкости на малом круге циркуляции, °С	98
Диаметр по осям отверстий фланца, мм	110
Длина теплогенератора, мм	620
Диаметр трубы, мм	53
Масса теплогенератора, кг	6,5

В установке "ЮСМАР-М" вихревой теплогенератор в комплекте с погружным насосом помещены в общий сосуд-бойлер с водой (рис.14) для того, чтобы потери тепла со стенок теплогенератора, а также тепло, выделяющееся при работе электродвигателя насоса, тоже шли на нагрев воды, а не терялись. Габариты сосуда-бойлера: диаметр 650 мм, высота 2000 мм. Автоматика периодически включает и отключает насос теплогенератора, поддерживая температуру воды в системе (или температуру воздуха в обогреваемом помещении) в заданных потребителем пределах. Снаружи сосуд-бойлер покрыт слоем теплоизоляции, которая одновременно служит звукоизоляцией и делает практически неслышимым шум теплогенератора даже непосредственно рядом с бойлером.

Установки "ЮСМАР-М" питаются от промышленной трёхфазной сети 380 В, полностью автоматизированы, поставляются заказчикам в комплекте со всем необходимым для их работы и монтируются поставщиком "под ключ".

На эти установки, рекомендуемые для использования как в промышленности, так и в быту (для обогрева жилых помещений путем подачи горячей воды в батареи водяного отопления), имеются технические условия ТУ У 24070270, 001-96 и сертификат соответствия РОСС КиМХОЗ. С00039.

Рисунок 14 - Схема теплоустановки "ЮСМАР-М": 1 - вихревой теплогенератор, 2 - электронасос, 3 - бойлер, 4 - циркуляционный насос, 5 - вентилятор, 6 - радиаторы, 7 - пульт управления и блок автоматики, 8 - датчик температуры.

Как уже говорилось ранее, для теплоснабжения музея предлагается установить два теплогенератора "Юсмар-1М". Первая установка предназначена для отопления зданий музея. Расход горячей воды в системе отопления не подвержен резким изменениям, поэтому потребитель подключается непосредственно к бойлеру теплогенератора (рис.15).

Рисунок 15 - Схема подключения тепловой установки "Юсмар-1М" к системе отопления: 1 - теплоустановка "Юсмар-1М"; 2 - циркуляционный насос; 3 - пульт управления и автоматики; 4 - термодатчик; 5 - радиаторы.

Второй теплогенератор необходим для обеспечения музея-заповедника горячей водой. В этом случае расход воды потребителем колеблется во времени. Поэтому, теплогенератор "Юсмар-1М" подключается к системе горячего водоснабжения не напрямую, а через теплообменник (рис.16).

Рисунок 16 - Схема подключения тепловой установки "Юсмар-1М" к системе горячего водоснабжения: 1 - теплоустановка "Юсмар-1М"; 2 - циркуляционный насос; 3 - пульт управления и автоматики; 4 - термодатчик; 5 - теплообменник; 6 - бак-аккумулятор; 7 - кран горячей воды.

Санитарными нормами установлено, что температура воды, идущей на горячее водоснабжение, должна быть не менее 55˚С. Для того чтобы вода в баке-аккумуляторе 6 нагревалась до этой температуры надо подобрать необходимую площадь поверхности теплообменника 5.

Пусть данный теплообменник выполнен в виде змеевика из латунной трубки, наружный и внутренний диаметры которой равны d_В / d_Н = 14/16 мм. Рассчитаем необходимую длину этого змеевика.

Расход воды на горячее водоснабжение (нагреваемый теплоноситель) составляет: Gг. в. = 0,530 кг/с; расход воды через змеевик (греющий теплоноситель) принимаем равным G’г. в. =0,720 кг/с (G’г. в. равно расходу воды на отопление).

Объем V бойлера-аккумулятора принимаем исходя из следующего условия: запаса горячей воды в нем должно хватить на бесперебойное снабжение потребителей в течение 8 часов.Т.о.

V = Gг. в. · 8 · 3,6 = 0,53 · 8 · 3,6 » 15 м³. (4.1)

Отсюда следует: диаметр бака - D = 1,5м; высота бака - L = 2 м.

Температуры греющего теплоносителя: на входе - t₁₁ = 95 °С, на выходе - t₁₂ = 60 °С.

Температуры нагреваемого теплоносителя: на входе - t₂₁ = 20 °С (принимаем из условия, что 1/3 горячей воды возвращается с температурой 50˚С, а 2/3 добавляем из водопровода с температурой 5˚С), на выходе - t₂₂ = 55 °С.

Определим скорости движения теплоносителей в змеевике W₁ и в баке-аккумуляторе W₂:

 (4.2)

 (4.3)

(4.4) (4.5)

Для расчета коэффициента теплоотдачи α необходимо знать среднюю температуру воды в змеевике t_1СР и в баке-аккумуляторе t_2СР:

Для того, чтобы определить режим течения жидкости по змеевику и в баке, найдем числа Рейнольдса, Re₁ и Re₂ соответственно:

(4.6) (4.7)

Где: ν₁ = 0,00000038 м²/с - кинематическая вязкость воды при температуре t_1CР;

ν₂ = 0,00000049 м²/с - кинематическая вязкость воды при температуре t_2CР;

Так как Re₁ > 10000 - режим течения воды в змеевике - турбулентный. Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности греющих труб к омывающей их воде α₁ в бойлере рассчитывается с использованием уравнения подобия:

(4.8) (4.9)

Где: Pr₁=2,55 и Pr_1СТ=2,64 - критерии Прандтля при температуре воды t_1СР=69,21°С и t_СТ = t_1СР - 2 = 67,21°С соответственно;

λ₁ = 0,686 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности воды при t_1СР.

Так как скорость течения воды в баке очень мала, можно предположить, что теплообмен между горячим змеевиком и омывающей его водой происходит благодаря свободной конвекции. Она представляет собой обычно подъемное течение, обусловленное подъемной силой, действующей на нагретые на поверхности слои жидкости. Соответственно на холодной стенке устанавливается опускное течение. В качестве безразмерного критерия подобия для свободной конвекции используется число Гразгофа, Gr₂

 (4.10)

где: L - высота бака-аккумулятора;

g - ускорение свободного падения;

Θ₀ - температура наружной поверхности трубы;

V - температура жидкости вне узкой области свободноконвективного движения;

ν - кинематическая вязкость жидкости.

Таким образом, для нашего случая:

(4.11)

Теплоотдачу при свободной конвекции от нагретого змеевика к жидкости можно рассчитать по уравнению:

(4.12) (4.13)

Во всех аппаратах периодического действия происходит нестационарный теплообмен. Уравнение теплопередачи при нестационарном режиме работы имеет вид:

Q = k · F · D t · τ, (4.14)

где: τ - время работы аппарата;

Dt - средний температурный напор за время τ.

Уравнение теплопередачи и теплового баланса для всей поверхности теплообмена F за интервал времени dτ имеет вид:

dQ = kF Dt dτ = G₁c (t₁₁ - t₁) dτ = G₂c dt₂, (4.15)

где: Dt - средняя разность температур между теплоносителями в момент времени τ;

t₁ - текущее значение температуры греющего теплоносителя;

dt₂ - изменение температуры нагреваемой воды за время dτ.

Температурный напор Dt в момент времени τ рассчитывается как среднелогарифмическая разность температур:

 (4.16)

Так как температуры t₁ и t₂ со временем изменяются, то Dt является функцией времени. Подставляя Dt в (15), получаем:

 (4.17)

откуда:

 (4.18) (4.19)

Таким образом, подставляя известные величины, получим:

 (4.20)

откуда: kF = 1865Вт/мК. (4.21)

Коэффициент теплопередачи определим по формуле:

 (4.22)

Определим площадь поверхности теплообмена F и длину змеевика l:

 (4.23) (4.24)

Таким образом из расчета видно, что для обеспечения потребителей горячей водой с температурой t_ГВ = 55˚С, необходимая длина змеевика теплообменника составляет 37 м. Диаметр змеевика можно принять равным D_ЗМ = 1,2 м.

4. Экономическая часть

Сравним экономический эффект котельной при ее реконструкции с установкой теплогенераторов фирмы Юсмар и при условии, что будут устанавливаться водогрейные котлы типа ТГ-120 (Гейзер-01), режимная карта которого приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Режимная карта на водогрейный котел типа ТГ-120

Наименование параметров	Тепловые нагрузки,%
	40	83
Производительность, ГДж/час	0,172	0,343
Давление воды на котле, МПа	0,14	0,155
Давление воды до котла, МПа	0,17	0, 19
Низшая теплота сгорания газа, кДж/м3	33513	33513
Число газовых горелок, шт	1	1
Давление газа перед котлом, МПа	20	16
Разрежение за котлом, мм в. ст.	0,5	1,5
Температура уходящих газов, °С	95	145
Состав уходящих газов,%: СО2 О2	4,4 13,2	4,4 13,2
Расход газа на котел, м3/час	5,7	11,8
Коэффициент избытка воздуха	2,51	2,51
Потери тепла,%: с уходящими газами в окружающую среду	6,60 2,5	10,98 2,7
КПД	90,90	86,32
Удельный расход топлива, м3/ГДж	139,0	143,9
Удельный расход условного топлива, кг/ГДж	159,0	164,5

Определение себестоимости вырабатываемого тепла находится по выражению:

 (5.1)

где ΣЭ - годовые эксплуатационные затраты в руб.;

Qгод - годовой отпуск тепла в ГДж.

Годовой отпуск тепла подсчитывают по формуле:

 (5.2)

где Q = 0,66ГДж/час - производительность котельной в час;

m = 220 - количество дней отопительного периода;

t_в = +18˚С - внутренняя температура в помещении;

t_ср = - 2,6˚С - наружная средняя температура отопительного периода;

t_но = - 27˚С - наружная температура для проектирования системы теплоснабжения;

Годовые эксплуатационные затраты определяют по уравнению:

ΣЭ=Этоп+Ээл. эн. +Эвод+Эзар+Эамор+Этек. рем. +Эобщ. расх., руб/год (5.3)

где: Этоп - затраты на топливо;

Ээл эн - затраты на электроэнергию;

Эвод - затраты на используемую воду;

Эзар - затраты на заработную плату;

Эамор - амортизационные отчисления;

Этек. рем - затраты на текущий ремонт;

Эобщ. расх - затраты общекотельные и прочие расходы.

Определим затраты на эксплуатацию котлов ТГ-120.

1 затраты на топливо:

Этоп = kпот · B · hгод · Стоп, руб/год (5.4)

где kпот = 1,055 - коэффициент, учитывающий складские, транспортные и прочие потери; В = 11,8 м³/ч - часовой расход топлива на один котел при максимальной нагрузке; n =2 - количество установленных котлов (без резервных); hгод - число часов использования установленной мощности котельной в год: hгод = 24 · т_от +24 · т_{г. в.} = 8760часов, где т_от - количество дней отопительного периода; т_{г. в. -} количество дней летнего периода;

Стоп = 49коп/м³ - стоимость газа;

Этоп = 1,055 · (11,8 · 2 · 220 + 11,8 · 145) · 24 · 0,49 = 85644 руб/год, (5.5)

2 затраты на потребляемую электроэнергию:

Ээл. эн = N · hгод · Сэл. эн. руб/год, (5.6)

где N - установленная мощность электродвигателей в кВт:

N_от = 5,5кВт - мощность электродвигателя насоса системы отопления,

N_{г. в.} = 4,5кВт - мощность электродвигателя насоса системы горячего водоснабжения;

hгод - число часов использования установленной мощности котельной в год:

h_от = 220 часов,

h_{г. в.} = 365 часов;

Сэл. эн =0,72 руб/кВт·ч - стоимость электроэнергии за 1 кВт · ч потребляемой мощности;

Ээл. эн. = 24· (220· (5,5+4,5) +145·4,5) ·0,72 = 49291 руб/год. (5.7)

3 затраты на используемую воду:

Эвод = Dмакс · hгод · Свод, (5.8)

где Gмакс = 2/3 · G_{г. в.} ·= 2/3 · 3,34 = 2,23 м³/час - максимальный часовой расход добавочной воды;

Свод = 7,61 руб/м³ - стоимость 1м³ добавочной воды;

Эвод = 24 · 365 · 2,23 · 7,61 = 148660 руб/год. (5.9)

4 затраты на заработную плату:

Так как котлы ТГ-120 полностью автоматизированы, в обслуживающем персонале нет необходимости. Достаточно того, чтобы система управления и сигнализации котлов была выведена на диспетчерский пульт МУП "Теплоэнерго".

Эзар = 0 руб/год.

5 затраты на амортизационные отчисления:

Эамор = Р1 · Сстр + Р2 · Соб, руб/год, (5.10)

где P1 = 0,032 - процентные отчисления от стоимости общестроительных работ;

Сстр = 0 - сметная стоимость общестроительных работ в руб;

P2 = 0,082 - процентные отчисления от стоимости оборудования с монтажом;

Соб = С_ТГ-120 + С_монт = 2 · 64000 + 20000 =148000 руб –

сметная стоимость оборудования и его монтажа;

Эамор = 0,032 · 0 + 0,082 · 148000 = 12136 руб/год. (5.11)

6 затраты на текущий ремонт принимают в размере 20 - 30% затрат на амортизацию и, следовательно, подсчитывают по выражению:

Этек. рем = (0,2 ÷ 0,3) Эамор = 0,25 · 12136 = 3034 руб/год. (5.12)

7 затраты на общекотельные и прочие расходы принимают в размере 30% суммы амортизационных отчислений, годового фонда зарплаты и затрат на текущий ремонт, т.е.

Эобщ. расх = 0,3 (Эамор + Этек. рем + Эзар) = 0,3 · (12136+3034) = = 4551 руб/год. (5.13)

Таким образом, годовые затраты на эксплуатацию котлов ТГ-120 составят:

ΣЭ = 85644 + 49291 + 148660 + 12136 + 3034 + 4551 = 303316 руб/год, (5.14)

а себестоимость 1 ГДж тепла будет равна:

 (5.15)

Рассчитаем затраты на эксплуатацию теплогенераторов "Юсмар-1М".

1 затраты на топливо:

Этоп = 0.

2 затраты на потребляемую электроэнергию:

Ээл. эн = N · hгод · Сэл. эн. = ( (5,5+2·2,8+4,5) ·220+ (2,8+4,5) ·145) ·24·0,72 = = 77596 руб/год, (5.16)

3 затраты на используемую воду:

Эвод = Dмакс · hгод · Свод = 2,23 · 365 · 7,61 = 148660 руб/год. (5.17)

4 затраты на заработную плату:

Так как теплогенераторы "Юсмар-1М", как и котлы ТГ-120 полностью автоматизированы, в обслуживающем персонале нет необходимости. Достаточно того, чтобы система управления и сигнализации теплогенераторов была выведена на диспетчерский пульт МУП "Теплоэнерго".

Эзар = 0 руб/год.

5 затраты на амортизационные отчисления:

Эамор = Р1 · Сстр + Р2 · Соб, руб/год =, (5.18)

где P1 = 0,032 - процентные отчисления от стоимости общестроительных работ; Сстр = 0 - сметная стоимость общестроительных работ в руб; P2 = 0,082 - процентные отчисления от стоимости оборудования с монтажом;

Соб = С_{Юсмар-1М} + С_монт = 2 · 39000 + 20000 =98000 руб –

сметная стоимость теплогенератора "Юсмар-1М" и его монтажа;

Эамор = 0,032 · 0 + 0,082 · 98000 = 8036 руб/год. (5.19)

6 затраты на текущий ремонт принимают в размере 20 - 30% затрат на амортизацию и, следовательно, подсчитывают по выражению:

Этек. рем = (0,2 ÷ 0,3) Эамор = 0,25 · 8036 = 2009 руб/год. (5.20)

7 затраты на общекотельные и прочие расходы принимают в размере 30% суммы амортизационных отчислений, годового фонда зарплаты и затрат на текущий ремонт, т.е.

Эобщ. расх = 0,3 (Эамор + Этек. рем + Эзар) = 0,3 · (8036 + 2009) = = 3014 руб/год. (5.21)

Таким образом, годовые затраты на эксплуатацию теплогенераторов "Юсмар-1М" составят:

ΣЭ = 77596 + 148660 + 8036 + 2009 + 3014 = 239315 руб/год, (5.22)

а себестоимость 1 ГДж тепла будет равна:

 (5.23)

Таким образом, себестоимость вырабатываемого 1 ГДж тепла на котельной с теплогенераторами фирмы Юсмар (159 руб/ГДж) на 21,3% меньше себестоимости тепла, выработанного на котельной, где установлены котлы ТГ-120 (202 руб/ГДж).

Экономический эффект котельной с установками "Юсмар-1М" составляет:

Э = (202 - 159) • 1501 = 64543 руб/год. (5.24)

5. Экология

При сжигании топлива входящие в его состав горючие элементы соединяются с кислородом воздуха. При этом происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую, идущую на нагрев продуктов сгорания топлива.

Природный газ, сухое беззольное высокоценное топливо, имеет следующий состав, считая по объему:

метан СН₄ от 85 до 98,3%;

тяжелые углеводороды С_nH_m от 2 до 6%;

двуокись углерода СО₂ от 0,1 до 1,0%;

азот N₂ от 1 до 5%.

Теплота сгорания сухого природного газа колеблется в пределах от 30,6 до 36,9 МДж/м³.

Продуктами полного сгорания топлива является двуокись углерода СО₂, сернистый газ SО₂ и водяные пары Н₂О. Кроме того, компонентами продуктов сгорания топлива являются азот N₂, содержавшийся в топливе и атмосферном воздухе, и избыточный кислород О₂, который содержится в продуктах сгорания топлива, потому что процесс горения протекает не идеально и связан с необходимостью подачи большего, чем теоретически необходимо, количества воздуха.

В котельной №48 в настоящее время тепло получают путем сжигания газообразного топлива.

Согласно режимным картам на водогрейные котлы типа "Универсал-6", установленных на котельной, состав уходящих газов следующий: СО₂ - 9,8%; О₂ - 3,6%; СО - отсутствует. Для того, чтобы определить количество выбросов оксидов азота, произведем следующий расчет. Суммарное количество оксидов азота NO_x в пересчете на NO₂ (в г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами, рассчитывается по формуле:

М_NOx = B_p· Q^г_i · К^г_NO2 · β_к · β_t · β_α, (6.1)

где: В_р - расчетный расход топлива; при работе котла в соответствии с режимной картой с достаточной степенью точности может быть принято В_р = В = 0,01м³/с - фактическому расходу топлива на котел; Q^г_i = 33,441МДж/м³ - низшая теплота сгорания топлива; К^г_NO2 - удельный выброс оксидов азота при сжигании газа, г/МДж. Для водогрейных котлов:

К^г_NO2 =0,013 √Q_т + 0,03 = 0,013 · √0,3344 + 0,03 = 0,0375г/МДж, (6.2)

где Q_т - фактическая тепловая мощность котла по введенному в топку теплу, МВт, которое определяется по формуле:

Q_т = В_р · Q^г_i = 0,01 · 33,44 = 0,3344 г/МДж. (6.3)

β_к = 1 - безразмерный коэффициент, учитывающий принципиальную конструкцию горелки. β_t - безразмерный коэффициент, учитывающий температуру воздуха, подаваемого для горения:

β_t = 1 + 0,002 · (t_гв - 30) = 1 + 0,002 · (20 - 30) = 0,98, (6.4)

где t_гв = 20˚С - температура горячего воздуха. β_α = 1,225 - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на образование оксидов азота. Таким образом, суммарное количество оксидов азота будет равно:

М_NOx = 0,01 · 33,44 · 0,0375 · 1 · 0,98 · 1,255 = 0,015 г/с. (6.5)

При реконструкции котельной №48 с заменой старых котлов типа "Универсал-6" на теплогенераторы "Юсмар-1М" этих нежелательных выбросов можно будет избежать, так как в данной установке процесс выработки тепла происходит без участия какого-либо вида органического топлива. Получение тепла с помощью теплогенератора Потапова - абсолютно экологически чистый способ.

6. Безопасность жизнедеятельности

Целью данного раздела дипломного проекта является проведение анализа условий труда на рабочем месте. В данном разделе следует выявить и рассмотреть опасные и вредные производственные факторы, а также произвести их идентификацию, оценку и дать рекомендации по их устранению.

В качестве рассматриваемого объекта выступает реконструируемая котельная №48 музея-заповедника "Витославицы".

В котельной размещено следующее оборудование: