Экономия воды в цифрах
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:
. Рассчитать массу и объём воды, вытекающей из
крана за разные промежутки времени;
. Определить количество теплоты, необходимое для
нагрева воды, используя различные энергоресурсы;
. Подсчитать материальные потери;
. 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> =
. Измерим массу пустого стакана mст
пять
раз, определим среднее значение.
<mст>
=
5. Отсчитаем в пустой стакан <N>
капель воды.
. Измерим массу стакана с водой mcт,в.
Измерения повторим пять раз, определим среднее значение.
<mст,в>
=
7.
Определим массу воды в стакане
<mв>
= <mст,в
> - <mст >
. Определим скорость падения капель
υ1
= =
=
2
. 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
|
-
|
60
с
|
120
|
35,902
|
48,750
|
12,848
|
. Посчитаем массу и объём воды,
вытекающей за 1 час
( плотность воды 1000 кг/м3)
mч
= <m>мин·60мин
= 12,848 · 10-3кг · 60мин = 0,771кг = 771 г
ρ = ;
Vч
= =
=
0,771 · 10-3м3 = 0,771 л
. Посчитаем массу и объём воды,
вытекающей за 1 сутки
mсут
= <m>ч·
24ч = 0,771 кг ·24 ч = 18,5 кг
Vсут
= =
=
18,5 ·10-3м3 = 18,5 л
.
Посчитаем массу и объём воды, вытекающей за 1 неделю
mнед
= <m>сут·
7дней = 18,5 ·7дней = 129,5 кг
Vнед
= =
=
129,5 ·10-3м3 = 129,5 л
13. Посчитаем массу и объём воды, вытекающей
за 1 месяц
mм
= <m>сут·
30 дней= 18,5 кг 30 дней = 555 кг
Vм=
=
=
555 · 10-3м3 = 555 л
14. Посчитаем массу и объём воды,
вытекающей за 1 год
mгод
= <m>сут·
365дней = 18,5 кг · 365 дней = 6752,5 кг = 6,753 т
Vгод
= =
=
6752,5 · 10-3м3 = 6752,5 л
. 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.
. 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 (tнач
= 100С).
В водонагревательных котлах воду нагревают до
1100 ( tкон
=
1100С).
Изменение температуры ∆t
= tкон
- tнач
= 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
. Определим количество теплоты,
необходимое для нагрева воды, вытекающей за один час.
Qчас=
c<mч>∆t
= 4200Дж/кг0С · 0,771 кг · 1000С = 323820 Дж =
= 323,82 кДж
. Определим количество теплоты,
необходимое для нагрева воды, вытекающей за одни сутки.
Qсут
= c<mсут>∆t
= 4200 Дж/кг0С · 18,5кг · 1000С = 7770000 Дж =
= 7770кДж
.
Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды, вытекающей за одну
неделю.
Qнед
= c<mнед>∆t
= 4200 Дж/кг·0С · 129,5 кг · 1000С = 54390000Дж =
= 54390кДж
. Определим количество теплоты,
необходимое для нагрева воды, вытекающей за один месяц.
Qмес=
c<mмес>∆t
= 4200 Дж/кг0С · 555 кг · 1000С = 233100000Дж =
= 233100кДж
. Определим количество теплоты,
необходимое для нагрева воды, вытекающей за один год.
Qгод
= c<mгод>∆t
= 4200 Дж/кг0С · 6752,5 кг · 1000С =2836050000=
= 2836050кДж
. Результаты расчетов занесём в таблицу
час
|
сутки
|
неделя
|
месяц
|
год
|
mводы, кг
|
0,771
|
18,5
|
129,5
|
555
|
6752,5
|
Qнагрев, кДж
|
323,82
|
7770
|
54390
|
233100
|
2836050
|
) 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
η
· 100% = ·
100%; Qсгор =
;
Qсгор =
qуг mуг
; qуг mуг
= ;
mуг
=
Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева воды,
вытекающей за час
mуг
= =
=
0,0405 кг = 40,5 г
Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева
воды, вытекающей за сутки
mуг
= =
=
0,971 кг = 971 г
Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева
воды, вытекающей за неделю
mуг
= =
=
6,686 кг = 6 кг 686 г
Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева
воды, вытекающей за месяц
mуг
= =
=
29,137 кг = 29 кг 137 г
Посчитаем массу угля, необходимого для нагрева
воды, вытекающей за год
mуг
= =
= 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 ].
) Определение объёма природного газа,
необходимого для нагрева воды
Коэффициент полезного действия котла 50%. (=
50%)
Удельная теплота сгорания природного газа
используемого в котельных qгаза= 34·106Дж/кг; плотность
используемого газа ρ = 0,7кг/м3.
1. Посчитаем массу и объём газа,
необходимого для нагрева воды, вытекающей за час
mгаза
= =
=
0, 019кг = 19 г
V = =
=
0,027 м3
2. Посчитаем массу и объём газа,
необходимого для нагрева воды, вытекающей за сутки
mгаза
= =
=
0,457 кг = 457 г
V = =
=
0,653 м3
3. Посчитаем массу и объём газа,
необходимого для нагрева воды, вытекающей за неделю
mгаза
= =
=
2,67кг = 2 кг 67г
V = =
=
3,814 м3
4. Посчитаем массу и объём газа,
необходимого для нагрева воды, вытекающей за месяц
mгаза
= =
=
13,712 кг = 13 кг 712 г
V = =
=
19,589 м3
5. Посчитаем массу и объём газа,
необходимого для нагрева воды, вытекающей за год
mгаза
= =
=
166,826 кг = 166 кг 826 г
V = =
=
238,323 м3
. Занесём результаты подсчётов в таблицу
(скорость падения капель 2 к/с)
Время
|
час
|
сутки
|
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 2х часов!
Qуг.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 Vв.
год= 6,753 м3.
Введём обозначение - С - стоимость - бел. руб
Сх.в.год= 6,753 м3 · 1450
бел.руб/м3 = 9792 бел.руб
. 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 Vгаза.год=
238,323 м3.
Будем считать для нашей местности, что «летний»
и «зимний» период составляют по полгода.
Cгаз.летний =
Vгаз.год/2
· 990 бел.руб/м3 = 117970 бел.руб
Сгаз.зимний = Vгаз.год/2
· 358,8 бел.руб/м3 = 42755 бел.руб
Сгаз.год = Cгаз.летний
+
Сгаз.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
mуг.год =
354,506 кг = 0,355 т
Суг.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
2. Енохович А. С. Справочник по
физике / А. С. Енохович. - М.: Просвещение, 1978. - 415 с.
. 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.
. Юрьев Ю. Л. Древесный
уголь. Справочник / Ю. Л. Юрьев. - Екатеринбург : Сократ, 2007. - 184 с.
. Газ /
http://forexaw.com/TERMs/Nature/l252_Газ_Gas
. Население Беларуси /
http://ru.wikipedia.org/wiki/Население_Белоруссии