Котиков Ю.Г. Лекция От КПД двигателей до Эффективности Транспортного комплекса

От КПД двигателя до энергоэффективности транспортного комплекса
(Оценка энергоэффективности перевозки с учетом знергозатрат всех составляющих
транспортного комплекса)
РАБОТЫ АВТОРА С ЭЛЕМЕНТАМИ РАЗВИТИЯ (ТС) ТЕОРИИ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ,
СИСТЕМНОМУ АНАЛИЗУ ТС И ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
Ю.Г. КОТИКОВ
Ю.Г. КОТИКОВ
ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
RR
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРАНСПОРТНЫХ
СИСТЕМ
Санкт-Петербург
2001
UML
Санкт-Петербург
2000
Оценка энергоэффективности перевозки должна учитывать все энергозатраты по всем
составляющим инфраструктуры и транспортного процесса за весь жизненный цикл
элементов структуры и производственных процессов.
Это можно осуществить при приведении суммы всех перечисленных составляющих
к единице транспортной работы (т-км, или гр.единица, или др.)
Общие энергозатраты автотранспортного комплекса на подготовку и реализацию
перевозки грузов укрупнено складываются из составляющих энергозатрат следующих
сфер действия:
• производство автотранспортных средств;
• строительство и содержание автомобильных дорог;
• обеспечение комплекса топливом и эксплуатационными материалами;
• поддержание работы техники и персонала (ТО и Р);
• затраты энергии на собственно транспортный процесс;
•
•
•
•
управление дорожным движением;
погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы;
связь и управление транспортно-логистическим процессом;
утилизация транспортных средств как завершение их жизненного цикла.
Обеспечение комплекса топливом и эксплуатационными
материалами (ДО ПОГЛОЩЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕВОЗОК)
ВЫРАБОТКА
Освоение
Выемка
ОБРАБОТКА
Очистка
Обогащение
ПЕРЕРАБОТКА
Возгонка
Ректификация
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УТИЛИЗАЦИЯ
Базовое
хранение
Транспортировка
Дозировка
Смесеобразование
Сгорание
Хранение
Перемещение
Сортировка
Крекинг
Выпуск
топлива
Точечное
хранение
Заправка
Термомех.преобразование
Реализация в
движителе
Cхема продвижения, реализации
потока энергии и управления им в АТС
Воздух
Топливный O2
бак (CnHm)
В
О
Д
И
Т
Е
Л
Ь
LТ
LРК
LКП
LСц
LВ
LА
ПР
φр h
РТН
ОГ
HХЧП
HКолП
РП
ТП
ПСц
HКузП
qц
р
ТН
Дв*
ne
ne
Шум
Воздух
SТН
S
SSДв
ТН
ТН
MК Коле- Р ХЧ* Р
X
ВА
са ававтоКП
Сц
Тр*
томо- VA моби VA
nСц
ne
nКП
nК биля
ля
NεА
MД
MСц
MКП
SСц
SКП
SТр
HСц
HКП
HДв
SКолА
HТр
HшП
SХЧП
SКузП
NεП
Ко- РXп ХЧ* РВП Кузов
NВП
леса
V
приприA
при- VA цепа
цепа
цепа
РКр VA
ne
Дорога
NψП
SХЧА
HКолА
NψА
N
NВП
ВА
Кузов
Кузов j
A
приавтоцепа
моби VA
ля
SКузА
HХЧА
HшА
HКузА
Значения КПД преобразователей энергии
Транспорт- Первич- Первичная Линия Тяговый
ное средство
ное
энергоус- энергодвигатопливо тановка передачи тель ? Д
Трансмис- Остаток
сия
на движитель
? Тр
Движитель
Общий
КПД СУ
? Двж
? СУ
Паровоз
Уголь
0.32
(котел)
0.98
Тепловоз
с электропередачей
Соляр
0.3 (ДВС),
0.92 (генератор)
0.99
Электровоз
Уголь
(на
электростанции)
Бензин
0.3 (паровой двигатель), 0.9
(генератор)
_
0.9
(ЛЭП)
_
0.25...0.32 0.88...0.94
0.23...0.30 0.70...0.92 0.16...0.26
Диз.
Грузовой
топливо
автомобиль
_
_
0.32...0.42 0.85...0.92
0.27...0.37 0.65...0.85
Винтовой
Бензин
самолет
Реактивный Керосин
самолет
Теплоход
Соляр
_
_
0.25
0.95
0.24
0.75
0.18
_
_
_
_
_
_
0.2
_
_
0.3...0.4
0.3...0.6
Легковой
автомобиль
0.30 (паровая
машина)
0.9
0.97
0.1
0.95
0.095
0.98
0.24
0.95
0.23
0.9
0.98
0.23
0.95
0.22
0.34...0.42 0.93...0.97
0.18…
...0.32
0.09...0.24
Строительство и содержание автомобильных дорог
Производство
материалов
Производство
полуфабрикатов
Добыча
сырья
Перевозки
Содержание
и ремонт
Строительство
ОБОБЩЕННЫЙ КПД ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
(Оценка обобщенного КПД, построенная на базе ЖЦ ТС)
Автомобиль КамАЗ-5320, везя 8 т груза со скоростью доставки 40
км/ч и пробегая за год 50 тыс. км, выполняет объем услуг A = 850000×402 =
0,64∙109 тран = 0,64∙77,16∙109 ≈ 50 ГДж∙км. За 7 лет, набегая гарантийный
пробег 350 тыс. км, он выполняет объем услуг A = 350 ГДж∙км = 1
МДж×350000 км.
То есть, «чистые» энергозатраты, связанные с услугой по перемещению
названного груза на расстояние 1 км со скоростью 40 км/ч, равны 1 МДж (и
они не зависят от вида ТС, а характеризуют средний уровень рассеиваемой
на отрезке 1 км энергии движения массы 8 т в среде обитания при скорости
доставки 40 км/ч).
Сумма всех энергозатрат
WΣ = Wк + WАД + Wт + Wэм + WТОР + Wпсэ
Wк – энергия, вложенная в конструкцию при изготовлении
WАД – энергии, вложенная в дорогу (приведенная к конкретному АТС)
Wт - энергия, содержащаяся в топливе и вложенная при его изготовлении
Wэм – энергия, вложенная визготовление эксплуатационных материалов
WТОР - энергозатраты на ТО и ремонт, изготовление запчастей
Wпсэ - прочие сопутствующие энергозатраты
Энергозатраты
при изготовлении
грузового АТС
Энергетический эквивалент
материалов на ремонтно-восстановительные нужды автомобиля
КамАЗ-5320 (без запчастей)
Наименование
ГДж
%
Ходовая часть
Кузов
Трансмиссия
Комплект
Кабина
Двигатель
Остальные
Общие затраты
124
115
28,1
68,9
47,8
57,8
81,4
523
23,7
22
5,4
13,2
9,1
11,1
15,5
100
Наименова- г/1000 км кг/350 кВт∙ч/кг ГДж/350
ние
пробега тыс.км
тыс.км
Сталь, чугун 3651,3
1278
15
69
Алюминий
2,6
0,9
58
0,2
Медь
18
6,3
26
0,6
Резина
9,1
3,2
41
0,5
Лаки
279,7
97,9
7
2,5
Химикаты
311,6
109
7
2,7
Топливо
391,7
137,1
3,5
1,7
Всего
77,2
Wк = 523 ГДж
Энергетический эквивалент материалов в виде запчастей
при выполнении ремонта АТС КамАЗ-5320
Наименование г/1000 км пробега кг/350 тыс.км
Сталь, чугун
1027,4
359,6
Алюмнний
12
4,2
Медь
62
21,7
Резина (без
22
7,7
шин)
Всего
кВт∙ч/кг
23
64
34
45
ГДж/350 тыс.км
29,8
1.0
2,7
1,2
34,7
Энергозатраты при выполнении ТО и ремонта
АТС КамАЗ-5320
Наименование
кВт∙ч/1000 км
кВт∙ч/350 тыс.км
ГДж/350 тыс.км
Энергозатраты
110,2
38570
139
WТОР = 77,2 + 34,7 + 139 = 251 ГДж
Расчет вложенной в дорогу энергии WАД
проведем для дороги, имеющей толщину слоев: морозозащитного слоя
грунта – 25 см; укрепленного слоя грунта – 15 см; несущего слоя – 15 см;
битумно-связующего слоя – 10 см; слоя асфальта – 10 см. Согласно [8],
расход энергоресурсов на сооружение 1 м2 такой дороги составляет 535
МДж/м2, а на содержание и ремонт за период 7 лет – 290 МДж/м2. То бишь
вложенная в 1 м2 такой дороги энергия с учетом содержания и ремонта ее
за ЖЦ рассматриваемого АТС составляет 535 + 290 = 825 МДж/м2.
В один погонный метр полосы шириной 4 м вложена энергия 825
МДж/м2×4м = 3300 МДж/м. При условной интенсивности движения по полосе
2000 авт./сут. через сечение полосы за 7 лет пройдет 2000×365×7 = 5110000
АТС. Тогда на 1 автомобиль, проходящий 1 пог.м по полосе, можно отнести
энергию дороги 3300 МДж/м / 5110000 авт. = 0,646 кДж/м∙авт.
Автомобиль, пробежав 350 тыс. км, утилизирует WАД =
0,646 кДж/м∙авт×350000000 м = 226 ГДж энергии, вложенной в
АД.
Количество первичной энергии,
утилизированное через топливо Wт
Пусть расход дизельного топлива автомобиля 35 л/100 км, тогда
суммарный расход за 7 лет Qт = 35×3500 = 122500 л. Количество
химической энергии, заключенной в топливе: 122500 л×35,3 МДж/л ≈
4324 ГДж.
Кроме того, на изготовление дизельного топлива
промышленностью, в соответствии с рис.2 и согласно [9], расходуется
энергия 3,5 кВт∙ч/кг топлива. При удельном весе 0,83 кг/л, энергия,
затраченная
на
изготовление
всего
количества
топлива,
израсходованного автомобилем за ЖЦ, составит 3,5 кВт∙ч/кг×0,83 кг/л
×3,6 МДж/ кВт∙ч × 122500 л ≈ 1281 ГДж. Таким образом, суммарное
количество первичной энергии, утилизированное через топливо Wт =
4324 + 1281 = 5605 ГДж.
Wт = 4324 + 1281 = 5605 ГДж
Энергозатраты на эксплуатационные
материалы Wэм
Эксплуатационные материалы. Расход масла составляет примерно 2 %
расхода топлива, т. е. 122500 л×0,02 = 2450 л. На изготовление такого
количества масла (при удельных энергозатратах на изготовление масла 50
кВт∙ч/кг [9]) затрачено энергии 50кВт∙ч/кг×0,85 кг/л ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 2450 л ≈
375 ГДж. Расход антифриза – 200 л, это соответствует (при удельных
энергозатратах на изготовление антифриза 4 кВт∙ч/кг [9]) вложенной энергии
4кВт∙ч/кг×1,07 кг/л ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 200 л ≈ 5 ГДж. Расход свинца – 70 кг, это
соответствует (при удельных энергозатратах на получение свинца 23 кВт∙ч/кг
[9]) вложенной энергии 23кВт∙ч/кг ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 70 кг ≈ 6 ГДж.
Всего Wэм = 375 + 5 + 6 = 386 ГДж
Wэм = 375 + 5 + 6 = 386 ГДж
Сумма всех энергозатрат WΣ
Сумма всех энергозатрат, вложенных в обеспечение посредством
грузового АТС суммарного объема транспортных услуг A = 350 ГДж∙км:
WΣ = 523 + 226 + 5605 + 386 +251 ≈ 7000 ГДж
(неучтенные Wпсэ использовали для округления).
В расчете на 1 км: 7000 ГДж / 350000 = 20 МДж
Таким образом, для продвижения в среде обитания груза
посредством грузового АТС с неотъемлемой диссипацией
в
среду со стороны груза на километр его движения
энергии 1 МДж требуется вложить в автотранспортный комплекс
20 МДж энергии.
Значение η = A / WΣ = 1/ 20 = 0,05 = 5 %
и является обобщенным КПД процесса транспортирования,
осуществляемого АТК посредством данного типа АТС.