Экономия воды в цифрах

Размещено на http://allbest.ru

Экономия воды в цифрах

ВВЕДЕНИЕ

вода электроэнергия потери

Изучая раздел физики « Тепловые явления», мы обратили внимание на то, что вода обладает очень большой удельной теплоёмкостью - 4200 Дж/кг·⁰С. Для того, чтобы нагреть 1 кг воды на 1⁰С, необходимо 4200 Дж тепла. К примеру, для свинца той же массы необходимо всего лишь 130 Дж, что в 32,5 раза меньше! Значит, горячая вода, которой мы пользуемся, не только благо, но и большая роскошь. А, как часто бывает, кран может быть неисправен, или мы его просто плохо закрыли - в результате, капля за каплей начинают исчезать энергоресурсы, необходимые для нагрева воды, а также, наши сбережения. Но не только это важно. Мы часто не осознаём, что вода это достояние нашей планеты, которого нет ни на одной другой! И нам следует очень бережно относиться к каждой капле.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Доказать, что вода не только благо, но и роскошь, которой следует дорожить.

«Капля воды дороже алмаза»

Д.И. Менделеев

«Мы познаём ценность воды лишь, когда колодец пересыхает»

Бенджамин Франклин

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Рассчитать массу и объём воды, вытекающей из крана за разные промежутки времени;

2. Определить количество теплоты, необходимое для нагрева воды, используя различные энергоресурсы;

3. Подсчитать материальные потери;

4. Оценить глобальные масштабы проблемы.

РАБОЧАЯ ГИПОТЕЗА: Вероятно, неисправный кран приведёт к утечке большого количества воды, что повлечёт за собой значительные потери энергетических ресурсов и денежных средств. В мировом масштабе данная неисправность может привести к экологическим проблемам.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ «ПОЧТИ ЗАКРЫТЫЙ КРАН»

ОБОРУДОВАНИЕ: кран с капающей водой, стеклянный стакан, секундомер, весы с разновесками

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

определить массу и объём воды, вытекающей из крана за различные промежутки времени

ХОД РАБОТЫ

1. Посчитаем количество капель N, вытекших из крана за t одну минуту.

2. Опыт повторим пять раз.

3. Определим среднее значение капель <N>, вытекших за одну минуту.

<N> =

4. Измерим массу пустого стакана m_ст пять раз, определим среднее значение.

<m_ст> =

5. Отсчитаем в пустой стакан <N> капель воды.

6. Измерим массу стакана с водой m_cт,в. Измерения повторим пять раз, определим среднее значение.

<m_ст,в> =

7. Определим массу воды в стакане

<m_в> = <m_ст,в > -- <m_ст >

8. Определим скорость падения капель

х₁ = = = 2

9. Результаты измерений занесём в таблицу

№ опыта	t, с	N	mст, 10--3кг	mcт,в, 10--3кг	<mв> за минуту, 10--3кг
1	60 с	121	35,910	48,750	--
2	60 с	121	35,900	48,750	--
3	60 с	119	35,910	48,740	--
4	60 с	120	35,890	48,760	--
5	60 с	119	35,900	48,750	--
среднее	60 с	120	35,902	48,750	12,848

10. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 час

( плотность воды 1000 кг/м³)

m_ч = <m>_мин·60мин = 12,848 · 10--³кг · 60мин = 0,771кг = 771 г

с = ; V_ч = = = 0,771 · 10--³м³ = 0,771 л

11. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 сутки

m_сут = <m>_ч· 24ч = 0,771 кг ·24 ч = 18,5 кг

V_сут = = = 18,5 ·10--³м³ = 18,5 л

12. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 неделю

m_нед = <m>_сут· 7дней = 18,5 ·7дней = 129,5 кг

V_нед = = = 129,5 ·10--³м³ = 129,5 л

13. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 месяц

m_м = <m>_сут· 30 дней= 18,5 кг 30 дней = 555 кг

V_м= = = 555 · 10--³м³ = 555 л

14. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 год

m_год = <m>_сут· 365дней = 18,5 кг · 365 дней = 6752,5 кг = 6,753 т

V_год = = = 6752,5 · 10--³м³ = 6752,5 л

15. Результаты расчётов занесём в таблицу

Время	час	сутки	неделя	месяц	год
mводы, кг	0,771	18,5	129,5	555	6752,5
Vводы, м3	0,771·10--3	18,5·10--3	129,5·10--3	555·10--3	6752,5·10--3

ВЫВОД: В результате исследования мы выяснили, что, при скорости 2к/с, водой, вытекающей из крана за один час, можно наполнить почти доверху литровую банку. За одни сутки вытечет два ведра воды. За неделю - три бочки. Водой, вытекающей за месяц, можно наполнить две ванны. Водой, вытекающей за год, можно заполнить бассейн возле дома.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ»

ОБОРУДОВАНИЕ: справочный материал, калькулятор

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

определить количество теплоты, необходимое для

нагрева воды, вытекающей за разные промежутки

времени; подсчитать расход угля и природного газа, используемого для нагрева воды

ХОД РАБОТЫ

1) Определение количества теплоты, необходимого для нагрева воды различной массы

Примем начальную температуру холодной воды равной 10⁰С (t_нач = 10⁰С).

В водонагревательных котлах воду нагревают до 110⁰ ( t_кон = 110⁰С).

Изменение температуры ?t = t_кон - t_нач = 100⁰С

Определим количество теплоты необходимое для нагревания воды определённой массы на 100⁰С. Данное количество теплоты можно считать потерями, которые происходят в результате утечки воды.

Удельная теплоёмкость воды с = 4200 Дж/кг·⁰С

1. Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за один час.

Q_час= c<m_ч>?t = 4200Дж/кг⁰С · 0,771 кг · 100⁰С = 323820 Дж =

= 323,82 кДж

2. Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за одни сутки.

Q_сут = c<m_сут>?t = 4200 Дж/кг⁰С · 18,5кг · 100⁰С = 7770000 Дж =

= 7770кДж

3. Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за одну неделю.

Q_нед = c<m_нед>?t = 4200 Дж/кг·⁰С · 129,5 кг · 100⁰С = 54390000Дж =

= 54390кДж

4. Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за один месяц.

Q_мес= c<m_мес>?t = 4200 Дж/кг⁰С · 555 кг · 100⁰С = 233100000Дж =

= 233100кДж

5. Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за один год.

Q_год = c<m_год>?t = 4200 Дж/кг⁰С · 6752,5 кг · 100⁰С =2836050000=

= 2836050кДж

6. Результаты расчетов занесём в таблицу

Время	час	сутки	неделя	месяц	год
mводы, кг	0,771	18,5	129,5	555	6752,5
Qнагрев, кДж	323,82	7770	54390	233100	2836050

2) КПД котла на твёрдом топливе

«Требование к котлам вытекает из пригодности к сжиганию тех видов (сортов и марок) твердого топлива, которое фактически поставляется на отопительные котельные. Проведенные Академией коммунального хозяйства исследования показали, что обеспечить паспортный КПД котлов (67-75%), работающих на каменном угле и антраците, возможно, если зольность сухой массы антрацитов будет не выше 16%, а каменных углей не выше 18%, причем влажность этих углей должна быть не более 8%, а содержание мелочи (частиц топлива размером менее 13 мм) не более 20%. Однако, анализ показывает, что зольность сухой массы углей, поставляемых на угольные склады отопительных котельных, колеблется от 14 до 38% для каменных углей и до 20% для антрацитов. Нередки случаи поставки углей с зольностью до 45%, влажностью до 40% при содержании мелочи (0 - 6 мм) до 80%. Т.е. фактически на отопительные котельные поставляются рядовые угли или угольные отходы (например, отсевы и штыбы). В таких условиях обеспечить КПД котла в 67-75% невозможно. В среднем КПД котлов на твёрдое топливо находится в пределах 40-55% [ 3 ].»

Зольностью называют содержание в топливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств.

Влажность топлива - это количественная характеристика, показывающая содержание в топливе влаги. При влагосодержании 10% в 1 кг топлива содержится 100гр воды, при влагосодержании 50% в 1 кг топлива содержится 0,5 кг воды [ 4 ].

3) Определение массы древесного угля, необходимого для нагрева воды

Коэффициент полезного действия котла 50%. (= 50%).

Удельная теплота сгорания древесного угля, используемого в котельных,

= 16 · 10⁶ Дж/кг.

Вывод формулы для расчёта массы топлива

з · 100% = · 100%; Q_сгор = ;

Q_сгор = q_уг m_уг ; q_уг m_уг = ; m_уг =

Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды, вытекающей за час

m_уг = = = 0,0405 кг = 40,5 г

Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды, вытекающей за сутки

m_уг = = = 0,971 кг = 971 г

Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды, вытекающей за неделю

m_уг = = = 6,686 кг = 6 кг 686 г

Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды, вытекающей за месяц

m_уг = = = 29,137 кг = 29 кг 137 г

Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды, вытекающей за год

m_уг = = = 354,506 кг = 354 кг 506 г

КПД котла на природном газе

Природный газ является самым чистым видом топлива и самым безопасным в экологическом отношении. Он выгодно отличается от других видов топлива полным сгоранием без дыма, копоти и золы. Добыча газа осуществляется скважинным способом. Разница давлений в пласте и на поверхности является движущей силой выхода газа из недр. На месторождении сооружается установка комплексной подготовки газа, на которой производится очистка и осушка газа. После этого газ под высоким давлением, порядка 75 атмосфер, движется по трубопроводу.

Природный газ состоит из углеводородных газов: метан - на 80% - 100%, этан, пропан, бутан. И из не углеводородных веществ - вода (в виде пара), водород, сероводород (H2S), диоксид углерода (СО2), азот (N2), гелий (Не). Чем больше водорода в молекулярном составе "газа", тем газ чище горит. То есть, "идеальным" газом в трубе является метан CH4.

Сероводород и вода являются самыми неприятными составляющими компонентами сетевого газа. Сероводород, в присутствии воды, вступает в реакции с металлами и вызывает коррозию труб газопроводов, газовых котлов, металлических дымоходов.

Азот в газе - просто "пустая порода", снижающая калорийность газа.

Паспортные КПД котлов, работающих на природном газе, варьируют в пределах 80-93 %. Однако, фактический КПД составляет только 50-60%.

Основные причины того, что фактический КПД котельных ниже регламентного, заключаются в низком качестве теплоносителя; нарушении качества топлива; устаревшем оборудовании и нарушении дисциплины его ремонтов; применение непрофильной автоматики [ 5 ].

4) Определение объёма природного газа, необходимого для нагрева воды

Коэффициент полезного действия котла 50%. (= 50%)

Удельная теплота сгорания природного газа используемого в котельных q_газа= 34·10⁶Дж/кг; плотность используемого газа с = 0,7кг/м³.

1. Посчитаем массу и объём газа, необходимого для нагрева воды, вытекающей за час

m_газа = = = 0, 019кг = 19 г

V = = = 0,027 м³

2. Посчитаем массу и объём газа, необходимого для нагрева воды, вытекающей за сутки

m_газа = = = 0,457 кг = 457 г

V = = = 0,653 м³

3. Посчитаем массу и объём газа, необходимого для нагрева воды, вытекающей за неделю

m_газа = = = 2,67кг = 2 кг 67г

V = = = 3,814 м³

4. Посчитаем массу и объём газа, необходимого для нагрева воды, вытекающей за месяц

m_газа = = = 13,712 кг = 13 кг 712 г

V = = = 19,589 м³

5. Посчитаем массу и объём газа, необходимого для нагрева воды, вытекающей за год

m_газа = = = 166,826 кг = 166 кг 826 г

V = = = 238,323 м³

6. Занесём результаты подсчётов в таблицу (скорость падения капель 2 к/с)

Время	час	сутки	неделя	месяц	год
mводы, кг	0,771	18,5	129,5	555	6752,5
mугля, кг	0,0405	0,971	6,686	29,137	354,506
mгаза, кг	0,019	0,457	2,67	13,712	166,826
Vгаза, м3	0,027	0,653	3,814	19,589	238,323

ВЫВОД: Результаты расчётов показывают значительные потери энергоресурсов, с учётом скорости падения воды всего 2 к/с и неисправности только одного водопроводного крана. При мощности котла 800 кВт, данной массы угля и газа, теряемой в процессе утечки воды за год, было бы достаточно для работы котла на протяжении 2^х часов!

Q_уг.год = q · m = 16 · 10⁶ Дж/кг · 354,506 кг = 5672,1 · 10⁶ Дж

P = ; t = = = 7090 с = 1,97ч

3. ИССЛЕДОВАНИЕ «МАТЕРИАЛЬНЫЕ ПОТЕРИ»

ОБОРУДОВАНИЕ: квитанции об оплате коммунальных услуг, калькулятор

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

определить материальные потери, связанные с оплатой

коммунальных услуг за используемую воду и

энергетические ресурсы, идущие на нагревание воды

в течение года

ХОД РАБОТЫ

Произведём расчеты для частного пользователя энергоресурсами при наличии индивидуальных счётчиков на воду и газ, а так же при расценках за уголь, купленный в гортопсбыте.

1. Посчитаем материальные потери, связанные с протеканием холодной воды из одного крана.

По данным квитанции об оплате за коммунальные услуги холодная вода объёмом V = 1 м³ стоит 1450 бел. рублей.

За год вытекает вода объёмом V_{в. год}= 6,753 м³.

Введём обозначение - С - стоимость - бел. руб

С_х.в.год= 6,753 м³ · 1450 бел.руб/м³ = 9792 бел.руб

2. Посчитаем материальные потери, связанные с использованием газа для нагревания воды.

По данным квитанции об оплате за коммунальные услуги, газ в разное время года имеет различную стоимость:

в «летний период» - 990 бел.руб за 1 м³,

в «зимний период» - 358,8 бел.руб за 1 м³.

За год на нагрев воды используется газ в объёме V_{газа.год}= 238,323 м³.

Будем считать для нашей местности, что «летний» и «зимний» период составляют по полгода.

C_{газ.летний} = V_{газ.год}/2 · 990 бел.руб/м³ = 117970 бел.руб

С_{газ.зимний} = V_{газ.год}/2 · 358,8 бел.руб/м³ = 42755 бел.руб

С_{газ.год} = C_{газ.летний} + С_{газ.зимний} = 160725 бел.руб

3. Посчитаем материальные потери, связанные с использованием древесного угля для нагревания воды.

По данным организации гортопсбыта 1 тонна древесного угля для населения стоит 105000 бел.рублей.

За год на нагрев теряемой воды, используется древесный уголь массой

m_уг.год = 354,506 кг = 0,355 т

С_уг.год = 0,355 т · 105000 бел.руб = 37275бел.руб

Результаты

Материальные потери, связанные с использованием энергоресурсов ( за год )
холодная вода	9792 бел. руб
природный газ	160725 бел. руб
древесный уголь	37275 бел. руб

ВЫВОД: Получились достаточно внушительные результаты, связанные с материальными потерями, при неисправности только одного крана с водой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным Национального статистического комитета Республики Беларусь численность населения на 2012 год составляла 9 миллионов 468 тысяч жителей [6]. Представим, что только 1 тысяча жителей не очень хорошо закрыла кран с водой. В результате возникает довольно серьёзная проблема. Впустую выльется 6752,5 тыс. литров или 6752,5 м³ воды, это соизмеримо с небольшим озером размерами 3040. Впустую сгорит 354 тонны 506 кг древесного угля. В среднем, для отопления одного дома в осенне-зимний период, необходимо 6 тонн древесного угля. Следовательно, теряемого угля хватило бы на 59 лет, или для обогрева небольшого посёлка за один отопительный сезон. Потери газа тоже очень велики - 238 тысяч 323 м³. Если учесть, что газ используют для обогрева дома, воды, приготовления пищи; учесть «летний» и «зимний» период пользования, можно в среднем предположить расход газа - 300 м³ в месяц, за год - 3600 м³. Простые расчёты показывают, что теряемого газа хватило бы одной семье на 66 лет! Результаты исследования проявляют огромные масштабы проблемы. Не так мала, оказывается, капля воды. Сберечь одну каплю - значит, сберечь озеро или энергетические ресурсы для будущих людей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

вода электроэнергия потери

1. Исаченкова Л.А. Физика: учеб. для 8-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения / Л. А. Исаченкова, Ю. Д. Лещинский. - Минск : Нар. асвета, 2010. - 183 с.

2. Енохович А. С. Справочник по физике / А. С. Енохович. - М.: Просвещение, 1978. - 415 с.

3. Исьемин Р. Л. Водогрейные котлы с кипящим и интенсивно продуваемым слоем топлива для сжигания низкосортных углей и биомассы - результаты десятилетнего опыта разработки и эксплуатации: проблемы и перспективы / Р. Л. Исьемин, С. Н. Кузьмин, В. В. Коняхин, А. В. Михалев, А. Т. Зорин // Журнал «Новости Теплоснабжения». 2008. - № 5. - С. 93.

4. Юрьев Ю. Л. Древесный уголь. Справочник / Ю. Л. Юрьев. - Екатеринбург : Сократ, 2007. - 184 с.

5. Газ / http://forexaw.com/TERMs/Nature/l252_Газ_Gas

6. Население Беларуси / http://ru.wikipedia.org/wiki/Население_Белоруссии

Размещено на Allbest.ru