sissejuhatus energiatehnikassesissejuhatus energiatehnikasse 28.10.2014 aimeli laasik 23.10.2008 3...

Sissejuhatus energiatehnikasse 28.10.2014

Aimeli Laasik 23.10.2008 1

Sissejuhatus energiatehnikasse

AAV0120

Loeng 5

Aimeli Laasik 23.oktoober 2008

SISSEJUHATUS ENERGIATEHNIKASSE

VII Energia kasutamine

Üldvaade

Eestis on energiavajadus ühe elaniku kohta:

toiduna 0,3 tce/a

toitainete tootmiseks, toidutegemiseks 1 tce/a

kodu- ja tööruumide kütteks 1 tce/a

elektrienergia tootmiseks 1 tce/a

tööstuslikeks tootmisprotsessideks 1,5 tce/a

sõitudeks ja vedudeks 1 tce/a

28.10.2014 Aimeli Laasik 2


Energia mitteelektrilised kasutamisviisid

Maailma kaubalise energia kasutamine, 2010


Kütused 15,53 Gtce

Hüdro-, tuuma- jm. energia 0,78 Gtce

Elektrienergia toodang 20,52 PWh ehk 2,64 Gtce




Passiivne päikeseküte (Trombe`i sein)

1 - päikesekiirgus

2 - topeltklaas

3 - musta välispinnaga

betoon- või tellissein

4 - päikesepaiste

puudumisel suletav klapp

5 - õhu väljalaskeklapp

6 - soe õhk

7 - seina soojuskiirgus

8 - külm õhk

9 - mittevajalikult soojenenud õhk


1

2

3

4 5

6

8

9

7


Päikesekiirguskollektori ühendamine

hoone soojaveesüsteemiga

1 - päikesekiirgus

2 - kiirguskollektor

3 - ringluspump

4 - paisunõu

5 - soojaveesalvesti

6 - kütust kasutav,

elektriline vm veekuumuti

7 - ühendus

veevarustustorustikuga

8 - ühendus

soojaveetarvititega


2

1

3

4

5 8

7

6


Veekuumutus-päikesekollektorite

soojusvõimsuse jaotumine, 2009


Austraalia 5,0 GW

58,9 %

Jaapan 4,3 GW 2,5 %

Saksamaa 8,9 GW

8,3 %

Türgi 8,4 GW

2,9 %

Eesti 0,002 GW 0,001 %

Muud maad 26,2 GW 15,2 %

Maailm 172,4 GW

2,2 % Brasiilia 3,7 GW

4,9 %

Hiina 101,5 GW

USA 14,4 GW

5.2 %




Tööstuslikes protsessides kasutatakse

lähteainete (nt. koksi, toornafta, maagaasi, puidu

vm) põletamisel või muundamisel saadavat soojust

kütuste põletamisel saadavat soojust

soojuskandjate (nt kuuma vee, veeauru või kuuma

gaasi) vahendusel

sisepõlemismootorite, gaasiturbiinide või muude

primaarmootorite abil (mootorikütuste põletamisel)

saadavat mehaanilist energiat



Liikluses ja veonduses kasutatakse

mootorikütuseid (bensiini, diislikütust,

petrooli, gaasi)

katlakütuseid (auruturbiinlaevadel)

tuumaenergiat (peamiselt allvee- jm

sõjalaevadel ja jäämurdjatel)

tuuleenergia (jahtidel, purilennukitel)

päikeseenergia (katselistes sõidukites)



Suurimad mitteelektrilised energiatarbijad

metallurgia (kõrgahjud, terasetootmine, jm)

ehitusmaterjalide (tsemendi, lubja) tootmine

mineraalväetiste tootmine

naftasaaduste tootmine

keemiatööstus ja paljud muud tööstusharud





Elektriajam

Elektriajam - elektrienergia kasutamisel

põhinev seade või süsteem kehade, ainete,

mehhanismide, masinate liikumapanekuks



Elektriajami ajalugu 1748 - Benjamin Franklini katsed elektrostaatilise

mootoriga, kuigi ta ise arvas, et selliseid mootoreid võiks

kasutada näiteks praevarda- või tornikellaajamites

(elektriajami ajaloo põhimõtteline algus)

03.09.1821 - Michael Faraday esimene elektromagnetiline

elektriajam (voolust läbitud varras pöörles ümber seisva

magneti)

25. 09.1838 - Moritz Hermann pöörleva elektrimootori

kasutamist merepaadil, mis võis peale võtta kuni 12

inimest ja arendada kiirust 2 kuni 3 versta tunnis



Vahelduvvoolu-elektriajami struktuur 1 - lülitus- ja kaitseaparatuur, 2 - sagedusmuundur, 3 – elektrimootor

või muu elektromehaaniline muundur, 4 - reduktor või muu

mehaaniline muundur, 5 - töömasin, 6 – mikroprotsessor

juhtimissüsteem, 7 – infoedastusväli (paljujuhtmeline süsteem,

juhtmepaar, raadiokanal, vm); f - sagedus


Sätted

M

M

M

Inimsekkumine

Elektri-

energia

Juhtimissignaalid

Tagasiside

f = const.

1

f = var.

2 3

6

4 5

7 P




Käsitsi juhitav mittereguleeritav elektriajam

1 - kaitseaparatuur

(nt sulavkaitsmed)

2 - lülitusaparaat

(nt kontaktor)

3 - elektrimootor

4 - töömasin

(nt ventilaator)


M

1

2

3

4


Pumba tootlikkuse reguleerimine

A – ventiiliga varustatud ajam

B - sagedusmuundurajam

V - vooluhulgaandur


A B

M M

M ~ ~

V


Elekterküte

Elekterkütte eelised suurem paindlikkus ja mitmekülgsus

lihtne kombineerimise võimalus teiste

kütteviisidega

võimalus loobuda vee kasutamisest

küttesüsteemis ja seega võimalike

veekahjustuste välistamine küttesüsteemi

riketel

väiksem tuleohtlikkus võrreldes kütuste

põletamisega





kerge automatiseerimise ja optimaalse

reguleerimise võimalus

väikesed paigaldus- ja hoolduskulud

suurem töökindlus

energiakulu täpse arvestamise võimalus

elektrienergia odavama öötariifi kasutamise

võimalus ning seega energiasüsteemi

ööpäevase koormusgraafiku soodne

reguleerimine



Elekterkütte põhipuudus

elektrienergia kallidus

ehitise elektrijuhistiku kallinemine, sest

sageli tuleb elekterkütteseadmete toiteks

ette näha omaette juhistik

vajadus tugevdada ehitise

soojusisolatsiooni, mis kalli elekterkütte

kasutamisel on eriti otstarbekas



A - elektriline konvektor

B - radiaator

1 - elektriline

kütteelement

2 - ümbris

3 - täitevedelik (nt õli)

4 - külma õhu konvektiivne juurdevool

5 - soojenenud õhu äravool

6 - soojuskiirgus


A B 5

1

2

4

5

3

2

4

6

1




Elektriline salvestusküttekeha

1 - kivimist, keraamiline

vm salvestusmaterjal

koos kütteelementidega

2 - ümbris

3 - ventilaator

4 - külma õhu juurdevool

5 - soojenenud õhu äravool


5

1

2

4

3


Torukujuline elektriline kütteelement

1 - sisseviik

2 - sisseviigu isolatsioon

3 - takistustraadist keermik

4 - täitematerjal (SiO2 või MgO)

5 - metalltoru


1 2 3 4 5


Elektriline kiirgusküttekeha

1 - kütteelement

2 - reflektor

3 - kaitseklaas

4 - soojuskiirgus


1 2

4

3




Elektrotehnoloogia

Elektrotehnoloogia - elektrinähtuste otsene

rakendamine materjalide ja esemete töötlemiseks

Nähtuste toime: elektrotermiline

elektrokeemiline

magnetiline

elektrostaatiline

mehaaniline

kiirguslik

kombineeritud



Metallisulatusahjud

kaarahjud

induktsioonahjud

takistusahjud

kiirgusahjud

elektronkiirahjud



Kolmefaasilise kaarahju ehituspõhimõte

1 - grafiitelektroodid

2 - elektrikaar

3 - sulatatav metall


1

2

3




Induktsioonahju ehituspõhimõte

1 - tiigel


3 - induktormähis

4 - indutseeritud vool

sulatatavas metallis


2

1

3

4


Takistusahju ehituspõhimõte

1 – küttekehad



2

1


Metallide elektriline kuumutamine

otsene või kaudset takistuskuumutus

madal- või kõrgsageduslik

induktsioonkuumutus

dielektriline kuumutus

kiirguskuumutus





Elektrilise takistusahju ehituspõhimõte

1 - küttekeha

2 - kuumutatav ese


2 1


Induktsioonkuumutus

A - madalsageduslik kuumutus

B - kõrgsageduslik kuumutus

1 - kuumutatav ese

2 - induktor


A B 1

1

2

2


Dielektrilise kuumutuse põhimõte

(elektrivälja rakendamine dielektrilisele materjalile)

1 - võrk- vm elektroodid

2 - kuumutatav materjal


1 2




Elekterkeevitus

kaarkeevitus

kontaktkeevitus

(punkt- ja joonkeevitus)

elektronkiirkeevitus

laserkeevitus



Kaarkeevituse põhimõte

1 - elektritoide

2 - keevituselektrood

3 - keevituskaar

4 - keevitatav detail


1 2

3 4


Punktkeevituse põhimõte

1 - elektritoide

2 - keevituselektroodid

3 - keevitatavad detailid

4 - kokkusulamispunkt


1 2

4 3

2

3




Elektervalgustus

Valgusallikad: hõõglamp

lahenduslamp

valgusdioodlampe (leedlampe)

Valgustusvahendid: valgustid

prožektorid

projektorid

valgussignalisatsioonivahendid



Valgustus:

sisevalgustus

välisvalgustus

töövalgustus

turvavalgustus

signalisatsioonivalgustus

valvevalgustus

reklaamvalgustus



Valgusallikate tunnussuurused

nimipinge Un

nimivõimsus Pn

nimivalgusvoog n

nimivalgusviljakus n = n / Pn





Hõõglambid

hõõgniidid valmistatakse volframist

hõõgniidi sulamistemperatuur on 3380 oC

talitleb temperatuuril 2300…3100 oC

odavad

madal valgusviljakus (enamasti 10…30 lm/W)

lühike eluiga (tavaliselt 1000…2000 tundi)

esimesed lambid valmistas 1879 USA leidur ja

tööstur Thomas Alva Edison

1.09.2012 – hõõglampe ei turustata



Halogeenhõõglambid hõõglamp, mille täitegaasile on lisatud halogeeni

(joodi või broomi) ühendeid

hõõgniidilt aurustunud volfram ühineb lambi kolvis

oleva halogeeniga volframhalogeniidiks

lampide kolvid on kuumuskindlast kvartsklaasist

mõõtmed väiksemad tavalistest hõõglampidest


3000 oC 1500 oC 500 oC

volframi aatom joodi molekul

volframjodiidi molekul W + I2 WI2

<1500 oC

>1500 oC

10 mm


Lahenduslambid

põhinevad kaarlahendusel madala

sulamistäpiga metalli (elavhõbeda või

naatriumi) aurus

valgusviljakus on vahemikus 40…200 lm/W

eluiga aga tavaliselt 5 000 kuni 15 000 tundi

annavad ca 90 % kogu maailma elektriliste

valgusallikate valgusvoost

sobivad hästi teede ja tänavate

valgustamiseks





Luminofoorlambi ehitus

1- sokkel

2 - kolb

3 - luminofoorikiht

4 - elektrood

5 - elektronide voog

6 - elavhõbeda-aatom

7 - elavhõbeda-aatomi elektroni ergastumine ja

naasmine stabiilsele tasemele

8 - ultraviolettkiirguse kvant

9 - luminofooris muundatud väljundkiirgus


7

6

5 4 3

1 2

8

9


Valgusdioodlambid (leedlambid)

sisaldavad kuni mitusada jõu-valgusdioodi, mille

üksikvõimsus on 1 W kuni 6 W

väikesemõõtmeline (läbimõõduga 1…5 mm)

nimipinge 3,6 V või 6,8 V

valmistakse värvilistena (punastena, kollastena,

rohelistena, sinistena) kui ka valgetena

eluiga kuni 40 000 tundi

valgusviljakus 50…140 lm/W

täisvalgusvoo saavutamine pärast sisselülitamist

mõne millisekundi jooksul



Jõu-valgusdioodi tingmärk, ehitus

1 - alus

2 - kuld-kontakttraat

3 - pooljuhtdiood

4 - lääts

5 – peegelpind


1 2 3 4 5




Lambiliikide valgusviljakuse areng

Küünla valgusviljakus

0,1…0,2 lm/W

Päikese

valgusviljakus

110 lm/W

Jaanimardika

valgusviljakus

ligi 500 lm/W


1940 1960 1980 2000 2020 aasta

150

lm/W

100

50

0

Kõrgrõhu-naatriumlambid

Leedlambid

Madalrõhu-luminofoorlambid

Passiivse

sisekeskkonnaga

hõõglambid

Halogeenhõõglambid

Valgus-

viljakus


Ohutuse tagamine elektrienergia kasutamisel

Elektro-

kardiogramm


Kojad Vatsakesed

Kokkutõmme (süstol) Lõdvenemine (diastol)

Südamevatsakeste virvenduse tekke tõenäosus südant läbiva elektrivoolu korral

0

100 %

P

Q

R

S

T P

Q S

T = 0,7…1 s

140

120

100

80

Vererõhk

R

t


Vahelduvvoolu toime inimesele

I - inimkeha läbiva

voolu efektiivväärtus

t - voolu kestus

AC-1 - voolu piirkond

a - piirkondadevahelised

lävikõverad


0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1 2 5 10 mA A

0,2

0,01

0,05

0,02

0,1

0,5

1

2

5 1

1

10 s t

I

a b c2

AC-1 AC-2 AC-3 AC-4

AC-4-3

AC-4-1

AC-4-2

c1 c3




Pinge alla sattumine

kontakt elektriseadmega, mis

normaaltalitlusel on pingestatud

(otsepuute teel)

kontakt elektriseadmega, mis on

pinge all isolatsioonirikke tõttu

(kaudpuute teel)



Põhikaitse kaitse otsepuute eest

Kaitsevõtted: põhiisolatsioon (isolatsioon, mida ei saa

kõrvaldada muidu kui purustamise teel)

kõrgemat ohutustaset tagav lisaisolatsioon (nt

topeltisolatsioon) nn kaitseisolatsioon

kaitseväikepinge, mille korral ei saa tekkida

eluohtlikku voolu; selle pinge enimalt lubatav

väärtus on vahelduvvoolluahelates 50 V,

alalisvooluahelates aga 120 V



puudutamist takistavad kaitsekatted ja –ümbrised

lähenemist takistavad kaitsetõkked

mittejuhtiva ümbruse loomine (isoleerpõrandad)

elektriseadme paigutamine väljapoole

puuteküündivust

pingealustel töödel isoleertööriistade ja -

kaitsevahendite kasutamine





Rikkekaitse

kaitse kaugpuute eest

Kaitsevõtted: pingealdiste osade maandamisega

seadme kiire automaatse väljalülitamisega

pingealdiste ja kõrvaliste juhtivate osade

potentsiaalide ühtlustamisega

elektrilise eraldusega nt spetsiaalsete

eraldustrafode abil

samaaegselt põhikaitsega nt kaitseisolatsiooni,

kaitseväikepinge, kaitsekatete jms abil



Potentsiaaliühtlustuse põhimõte


Kõrvaline juhtiv osa

Ohtlik pingestatud osa

Pingealdis juhtiv osa

Kõrvaline juhtiv osa

Peapotentsiaaliühtlustuslatt

Paigaldisemaandus


Põhi- ja rikkekaitseviiside klassid

I klass - põhikaitse on tagatud

põhiisolatsiooniga, rikkekaitse aga

maandatud kaitsejuhi külgeühendamisega

II klass - nii põhi kui ka rikkekaitse on

tagatud topelt- või tugevdatud isolatsiooniga

III klass - nii põhi- kui ka rikkekaitse on

tagatud kaitseväikepinge kasutamisega





I klassi elektritarviti ühendusskeem


Põhiisolatsioon Metallümbris

Kaitsekontaktiga pistikühendus

Kaitsemaandus-klemmi tähis

L PE N


II klassi elektritarviti ühendusskeem


Topelt- või tugevdatud isolatsioon

Isoleer- või metallümbris

Kaitsekontaktiga või kaitsekontaktita

pistikupesa

L PE N

II klassi tähis

Maanduskeelumärk


III klassi elektritarviti ühendusskeem


Põhiisolatsioon (võib ka puududa) Isoleer- või metallümbris

(võib ka puududa)

Eraldustrafo

L N

III klassi tähis

Eraldustrafo tähis

50 V

Väikepingeahela eripistik




Energia tarbimise struktuur

Tööstuses


Energialiik,

energiakandja

Kütused

(keemiline energia)

Peamised

tarbimisviisid

Soojus

(aur, kuum vesi)

Soojuslikud ja keemilised

tehnoloogilised

protsessid

Mehaaniline energia

(suruõhk jms)

Elektrienergia

Tootmismasinad

Küte

Valgustus

Transport

Tarned

Tarned

Tarned

Põlevad

tootmisjäägid


Suurettevõtte elektrivarustussüsteem


Toiteliin 35…220 kV

Peaalajaam

Kõrgepinge-

tarviti

Jaotusvõrk 6…20 kV

G

Oma

elektrijaam

Kõrgepingeline kondensaator-

patarei

Kõrgepinge-

tarviti

Tsehhi

trafoalajaam

Tsehhi muundur- (nt alaldi-)

alajaam

G

Q

Madalpingeline kondensaator-

patarei

Reserv-

toiteallikas

Tsehhi

madalpingevõrk

Tsehhi alalis- vm muundatud voolu

võrk

Madalpingetarvitid

Katkematut toidet

vajavad tarvitid

Katkematu toite allikas


Energia tarbimine põllumajanduses


Energialiik,

energiakandja

Kütused

(keemiline energia)

Peamised

tarbimisviisid

Soojus

(aur, kuum vesi)

Soojuslikud ja keemilised

tehnoloogilised

protsessid

Tuule- ja

hüdroenergia

Elektrienergia

Põllutöö- ja muud

tootmismasinad

Küte

Valgustus

Transport

Tarned

Tarned

Põlevad

tootmisjäägid

Oma-toodang

Veoloomad

Päikesekiirgus




Energia tarbimine transpordis


Energialiik,

energiakandja

Kütused

(keemiline energia)

Traspordiliigid

Laevad

Tuuleenergia

Elektrienergia

Autod

Toruliinid

Konveierid jm

Elektriline

ühistransport

Tarned

Tarned

Veoloomad

Lennukid

Hobuvankrid jm


Energia tarbimine elamumajanduses


Energialiik,

energiakandja

Kütused

(keemiline energia)

Peamised

tarbimisviisid

Soojus

(aur, kuum vesi)

Küte

Oma

energiaallikad

Elektrienergia

Toiduvalmistus

Soojaveevarustus

Valgustus

Transport

Tarned

Tarned

Omatoodang (nt maal)

Olmeelektroonika

Päikesekiirgus

Tarned

Kodumasinad


Rahvamajanduse

energiabilansi põhimõte


Energia

muundamine

ja edastamine

Oma

energiavarud

Kütuste ja

elektrienergia

import

Kütuste ja

elektrianergia

eksport

Lõpptarbijad

Energia-

kaod




Tänan tähelepanu eest!

Küsimused?

Töö nr 5


sissejuhatus energiatehnikassesissejuhatus energiatehnikasse 28.10.2014 aimeli laasik 23.10.2008 3...

Documents