Термоэдс таблица: Термопары. Типы, характеристики, конструкции, производство. Статья

Содержание

Термоэдс — Физическая энциклопедия

ТЕРМОЭДС — электродвижущая сила U, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ры (Зе-ебека эффект). Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой .Величина T. зависит только от темп-р горячего T1 и холодного T2 контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0-100 oC) U=a(T1T2). Коэф. а, называемый коэф. Зеебека или термоэлектрич. способностью пары, термосилой, коэф. Т., удельной Т., зависит от материала проводников и интервала темп-р (табл.).

Цифры, приведённые в табл., условны, т. к. T. чувствительна к микроскопия. кол-вам примесей, к ориентации кристаллич. зёрен. T. может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались разл.

технол. операциям. Она не меняется при последоват. включении в цепь любого кол-ва др. материалов, если появляющиеся при этом дополнит. места контактов поддерживают при одной и той же темп-ре.

Значения a для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb


П р и м е ч а н и е. Знак «+» указывает, что ток течёт от Pb к данному металлу через более нагретый спай, а знак » -«-через холодный спай.

Если вдоль проводника существует градиент темп-ры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В полупроводниках, кроме того, концентрация электронов растёт с темп-рой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному, на холодном конце накапливается отрицат. заряд, а на горячем остаётся нескомпенсир. положит. заряд. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный обратный поток электронов.

Алгебраич. сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих Т., к-рую наз. объёмной. Другие составляющие T. связаны с температурной зависимостью контактной разности потенциалов и с эффектом увлечения электронов фононами. T. к. число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, больше, чем число электронов, движущихся навстречу, то в результате увлечения ими электронов на холодном конце накапливается отрицат. заряд. Эта составляющая Т., называемая T. у в л е ч е н и я, при низких темп-pax может быть в десятки и сотни раз больше других. В магнетиках играет роль также увлечение электронов магнонами.

T. металлов очень мала, сравнительно больше T. в полуметаллах и их сплавах, а также в нек-рых переходных металлах и их сплавах (напр., в сплавах Pd-Ag T. достигает 86 мкВ/К). T. в этих случаях велика из-за того, что ср. энергия электронов в потоке сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны обладают меньшим коэф. диффузии, чем медленные, и T. меняет знак. Величина и знак T. зависят также от формы ферми-поверх-ности, разл. участки к-рой могут давать в T. вклады противоположного знака. Знак T. металлов иногда меняется на противоположный при низких темп-pax. В полупроводниках n-типа на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остаётся нескомпенсир. отрицат. заряд (если аномальный механизм рассеяния носителей заряда или эффект увлечения не приводит к перемене знака Т.). В термоэлементе, состоящем из полупроводников

р— и п-типов, T. складываются. В полупроводнике со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то T. равна нулю.

Лит. см. при ст. Зеебека эффект. Л. С. Стильбанс.

      Предметный указатель      >>   

Термоэлектрические преобразователи | БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Измерение температуры с помощью термоэлектрических преобразователей основано на использовании термоэлектродвижущей силы, возникающей в цепи прибора при помещении его рабочего конца в измеряемую среду.

Термоэлектрические преобразователи состоят из двух проводников (термоэлектродов), изготовленных из различных металлов и сплавов в виде проволок диаметром 0,5 — 3 мм.

Термоэлектроды соприкасаются только в рабочем конце, на остальной длине они изолируются друг от друга с помощью фарфоровых трубок. От механических повреждений и воздействия вредных газов преобразователи защищают чехлом.

Для установки измерительного прибора на значительном расстоянии от преобразователя применяются компенсационные (удлинительные) провода. В таблице 1 приведены типы компенсационных проводов, применяемых с различными типами преобразователей, их маркировка, значения термоЭДС и их допустимые отклонения от термоЭДС соответствующих преобразователей.

Таблица 1. Основные характеристики компенсационных проводов, применяемых с термопарами

Термоэлектрические преобразователи различают: 
  • по способу контакта с измеряемой средой: погружаемые и поверхностные;
  • по наименованию материала: ТВР — термоэлектрический преобразователь вольфрамрениевый, ТПР — платинородиевый, ТПП — платинородий-платиновый; ТХА — хромель-алюмелевый; ТХК — хромель-копелевый;
  • по условиям эксплуатации: стационарные и переносные; по герметичности по отношению к измеряемой среде: обыкновенные и герметичные;
  • по инерционности: малоинерционные (МИ), средней инерционности (СИ), большой инерционности (БИ), ненормированной инерционности (НИ).  
  • по количеству горячих спаев в одной зоне: одинарные и двойные;
  • по количеству зон: однозонные и многозонные.
Показатели тепловой инерции термоэлектрических преобразователей различных исполнений приведены в табл. 2.

Таблица 2. Значения показателя тепловой инерции термоэлектрических преобразователей в зависимости от исполнения

Типы термоэлектрических преобразователей стандартных градуировок и диапазоны измеряемых температур приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные характеристики термоэлектрических преобразователей

Первичный преобразователь типа ТПР имеет стабильную градуировочную характеристику в интервале температур 1200—1500°С. Предел основной допустимой погрешности (Δ
e
) вычисляется по формуле: в диапазоне температур от 300 до 1800°С

Δe=0,01+3,3*10-5(t—300), мВ;

в диапазоне температур от 0 до 300°С

Δt=(3,2—5,17)°С.

Преобразователь типа ТПП можно применять в качестве образцового: он не боится окислительной среды. К недостаткам его можно отнести слабую чувствительность и высокую стоимость термоэлектродного материала.

Предел основной допустимой погрешности определяется с помощью формул: в диапазоне температур от 300 до 1600°С

Δe=0,01+2,5*10-5(t—300), мВ;

в диапазоне температур от 0 до 300°С

Δe=0,1 мВ или Δt = 1,23°С.

Градуировочная характеристика преобразователя типа ТХА близка к линейной, при невысоких температурах он устойчив к окислительной атмосфере. Для температур от 300 до 1300°С определяется по формуле:

Δe=0,16+2*10-4(t—300), мВ;

при температуре до 300°С

Δe=0,16 мВ или Δt = 4°С.

Преобразователь типа ТХК развивает термоЭДС, значительно превышающую термоЭДС других преобразователей, но он менее жаростойкий. В диапазоне температур от 300 до 800°С

Δe=0,2+6*10-4(t—300), мВ;

при температуре до 300°С

Δe=0,2 мВ или Δt = 2,16°С.

ТЕРМОЭДС — это.

.. Что такое ТЕРМОЭДС?

— электродвижущая сила U, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ры ( Зе-ебека эффект). Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой. Величина T. зависит только от темп-р горячего T1. и холодного T2 контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0-100 oC) U=a(T1-T2).

Коэф. а, называемый коэф. Зеебека или термоэлектрич. способностью пары, термосилой, коэф. Т., удельной Т., зависит от материала проводников и интервала темп-р (табл.).

Цифры, приведённые в табл., условны, т. к. T. чувствительна к микроскопия. кол-вам примесей, к ориентации кристаллич. зёрен. T. может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались разл. технол. операциям. Она не меняется при последоват. включении в цепь любого кол-ва др. материалов, если появляющиеся при этом дополнит. места контактов поддерживают при одной и той же темп-ре.

Значения a для некоторых металлов и сплавов по отношению к Pb


П р и м е ч а н и е. Знак «+» указывает, что ток течёт от Pb к данному металлу через более нагре тый спай, а знак » -«-через холодный спай.

Если вдоль проводника существует градиент темп-ры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В полупроводниках, кроме того, концентрация электронов растёт с темп-рой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному, на холодном конце накапливается отрицат. заряд, а на горячем остаётся нескомпенсир. положит. заряд. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный обратный поток электронов. Алгебраич. сумма таких разностей потенциалов в цепи создаёт одну из составляющих Т., к-рую наз. объёмной. Другие составляющие T. связаны с температурной зависимостью контактной разности потенциалов и с эффектом увлечения электронов фононами.T. к. число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, больше, чем число электронов, движущихся навстречу, то в результате увлечения ими электронов на холодном конце накапливается отрицат. заряд. Эта составляющая Т., называемая T. у в л е ч е н и я, при низких темп-pax может быть в десятки и сотни раз больше других. В магнетиках играет роль также увлечение электронов

магнонами.

T. металлов очень мала, сравнительно больше T. в полуметаллах и их сплавах, а также в нек-рых переходных металлах и их сплавах (напр., в сплавах Pd-Ag T. достигает 86 мкВ/К). T. в этих случаях велика из-за того, что ср. энергия электронов в потоке сильно отличается от энергии Ферми. Иногда быстрые электроны обладают меньшим коэф. диффузии, чем медленные, и T. меняет знак. Величина и знак T. зависят также от формы ферми-поверх-ности, разл. участки к-рой могут давать в T. вклады противоположного знака. Знак T. металлов иногда меняется на противоположный при низких темп-pax. В полупроводниках n -типа на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остаётся нескомпенсир. отрицат. заряд (если аномальный механизм рассеяния носителей заряда или эффект увлечения не приводит к перемене знака Т.). В термоэлементе, состоящем из полупроводников р- и п- типов, T. складываются. В полупроводнике со смешанной проводимостью к холодному контакту диффундируют и электроны и дырки и их заряды взаимно компенсируются. Если концентрации и подвижности электронов и дырок равны, то T. равна нулю.

Лит. см. при ст. Зеебека эффект. Л. С. Стильбанс.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Вольфрам-рениевые сплавы ВР5 и ВР20

ВР5,ВР20. Проволока вр5 вр20 — Атомтехнологии

ВР5 и ВР20 – это вольфрам-рениевые сплавы. В сплаве ВР5 содержится 95% вольфрама и 5% рения, а ВР20 содержится 80% вольфрама и 20% рения. Сплавы выпускают в виде проволоки, и для улучшения стабильности работы термопар сплав ВР5 легируют кремнещелочными компонентами: Al2O3 0,1-0,5%, SiO2 0,1-0,5%, KCl 0,1-0,5%. Такое соединение обозначается — ВАР 5/20.

Главные характеристики сплава определяют рений и вольфрам.

Рений имеет температуру плавления 3170°С и температуру кипения 5870°С, при этом он очень жаропрочный, и стойкий к коррозии. Вольфрам немножко превышает рений и является тугоплавким, твердым и тяжелым металлом. Он имеет температуру плавления 3410 °С, и закипает при 6690 °С. Сплавы из вольфрама и рения являются одними из самых твердых, и тугоплавких среди всех известных.

Сплав используют в качестве отрицательных электродов термопары для максимальной термоэлектродвижущей силы. Металлургия использует рений в сплаве не более 20%, что дает максимальный температурный режим до 2500°С, при использовании вольфрам-рениевой термопары.  Сплав очень устойчив к гелию, водороду, сухому азоту, аргону.

К недостаткам можно отнести тот факт, что рений – очень редкий металл, и это повышает его стоимость, и цена ВР5/20 сильно превышает цены термопар из других металлов. Запрещается использовать проволоку сплава из разных партий, так как в каждой партии проволоки свой показатель термоЭДС.

Сплавы ВР5 и ВР20 используют для изготовления контактных датчиков термопар, которые измеряют самые высокие температуры, измерительных приборов.

какие только возможно измерить, используя термопары. Термопары измеряют, например температуру расплавленного металла. Вольфрам-рениевая термопара это лучший измеритель высоких температур в агрессивной среде.

Сплав ВР5/20 используют для изготовления устройт, которые способны работать даже в условиях вакуума при температуре 1800°С.

Градуировочная таблица вольфрам-рениевой термопары ВАР-5(ВР-5)/ВР-20.

Таблица Номинальная статическая  характеристика преобразования ВР (А)-1

Температура рабочего конца °С

Т.э.д.с.мВ, для температуры, °С

0 10 20 30 40 50 60 70
0 0 0,121 0,246 0,373 0,504 0,637 0,772 0,910
100 1,337 1,483 1.632 1,781 1,933 2,086 2,240 2,396
200 2,871 3,032 3,193 3,355 3,518 3,682 3,847 4,012
300 4,512 4,680 4,843 5,016 5,185 5,354 5,523 5,693
400 6,203 6,373 6,543 6,714 6,834 7,065 7,225 7,396
500 7,908 8,073 8,248 8,418 8,588 8,758 8,928 9,098
600 9,605 9,774 9,943 10,111 10,280 10,448 10,615 10. 783
700 11,283 11,450 11,616 11,782 11,947 12,112 12,277 12,442
800 12,933 13,096 13,259 13,422 13,584 13.746 13,907 14,068
900 14,549 14,708 14,867 15,026 15,184 15,342 15,500
1000 16,125 16,281 16,436 16,590 16,744 16,898 17,051
1100 17,659 17,810 17,960 18,110 18,260 18,409 18,557
1200 19,146 19,292 19,438 19,583 19,728 19,872 20,015
1300 20,584 20,725 20,866 21,006 21,145 21,284 21,423
1400 21,971 22,107 22,242 22,377 22,511 22,645 22,778
1500 23,306 23,436 23,566 23,696 23,825 23,953 24,081
1600 24,588 24,713 24,838 24,962 25,085 25,209 25,331
1700 25,816 25,936 26,056 26,175 26,293 26,411 26,528
1800 26,992

Основные технические данные

Температура °С 1600 1500 1400
Номинальное значение тэдс, мВ 24,59 23,31 21,97
Отклонение тэдс от номинального, мкВ ±102 ±99 ±96

Измерение температуры.

Термопары | КИПиА от А до Я

Принцип действия термопары основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной температурой Т2 появиться термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и холодным спаем ΔТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев

Наибольшее распространение получили термопары градуировок ХА (в европейской системе обозначений (К), ХК (L) и ППР (В). Термопары ХК (хромель-копелевые) имеют диапазон измерения 0…800°С и в настоящее время применяются  редко. Термопары ХА (хромель-алюмелевые) имеют диапазон 0…1300°С и применяются наиболее широко. В частности они используются на стендах нагрева, с их помощью измеряется температура внутреннего пространства печей и температура отходящих газов в газоходах. Термопары градуировки ППР (платина-платинородиевые) имеют температурный диапазон 0…1600°С. Кроме возможности измерять температуру 1600°С и выше они обладают еще одним преимуществом – высокой точностью.

Указанные максимальные температуры не являются предельными для термопар. Они способны измерять и большие температуры, но при этом существенно падает срок их службы. Так термопара градуировки ППР может измерять температуру до 1800°С, поэтому именно она используется для измерения  температуры жидкой стали.

Конструкция термопары имеет следующий вид. Сваренные с одного конца проволоки помещаются внутрь керамической трубки с двумя отверстиями, либо на них одеваются керамические бусы с целью изолировать проволоки друг от друга по всей длине. Часто в качестве изолятора используется керамический порошок, который засыпается внутрь чехла, в который вставлена термопара.

Чехол выполняется из жаропрочных марок стали или из неметаллического материала высокой температурной стойкости: керамики, корунда и т. п. Термопары в металлическом чехле конструктивно могут быть с изолированным или с заземленным (неизолированным) спаем, то есть иметь электрический контакт с чехлом термопары.

Если сигнал с термопары подается на вход контроллера, то необходимо применять термопару с изолированным спаем. Иначе возможны произвольные скачки показаний температуры в значительных пределах. Особенно сильно этот эффект проявляется если используется контроллер Siemens S200.

Свободные концы проволок соединяют с плюсовой и минусовой клеммами, расположенными в головке термопары. Выходным сигналом термопары является термоЭДС, измеряемая в милливольтах (мВ). Для измерения выходного сигнала можно использовать цифровой мультиметр и затем, применив градуировочные таблицы или номограммы по величине измеренного напряжения определить измеряемую температуру. Отключать вторичный прибор при этом не обязательно, так как он не оказывает заметного влияния на результат измерения. Для более точного определения температуры по термоЭДС термопары можно воспользоваться градуировочными таблицами.

Для подключения термопар ко входам вторичных приборов или контроллерам применяют специальный компенсационный провод. Необходимость применения компенсационных проводов связана с тем, что головка термопары с клеммами может располагаться в рабочей зоне с повышенной температурой, например 100°С. Если подключить к клеммам термопары ХА обычный медный провод, то в местах соединения как бы образуются еще два рабочих спая с температурой 100°С. Возникающие при этом две паразитные термоЭДС (на плюсовой и минусовой клеммах) исказят показания термопары.

Компенсационный провод импортного производства имеет специальную цветовую маркировку. Так компенсационный кабель градуировки ХА европейского производства имеет зеленую (+) и белую (-) жилы. Выпущенный в советское время компенсационный провод не имел специальной цветовой маркировки. Если компенсационный провод будет подключен без соблюдения полярности, то наблюдается следующий эффект: после пуска теплового агрегата показания термопары сначала растут. Это связано с нагревом рабочего спая. После того как атмосфера вокруг теплового агрегата прогреется, показания термопары начинают быстро падать, вплоть до нулевых значений. Это связано с тем, что образовавшиеся два паразитных рабочих спая включены в обратной полярности основному рабочему спаю. И значение основной термоЭДС уменьшается на величину двух паразитных термоЭДС.

На вход вторичного прибора или контроллера значение измеренной температуры поступает в виде сигнала термоЭДС. Так как величина этой термоЭДС определяется разностью температур рабочего и холодного спаев:

Е = f (Т1 – Т2), [мВ]

то вторичному прибору необходимо знать температуру холодного спая для однозначного определения температуры рабочего спая. Ведь термоЭДС может принимать одинаковые значения при различных значениях (Т1 – Т2). Например разности температур (200 — 50) и (150 — 0) дадут одинаковые значения термоЭДС, хотя при этом разность значений температур рабочих спаев в этих двух случаях достигала 200 -150 = 50°С.

Поэтому во вторичном приборе вблизи входных клемм, к которым подключается термопара, монтируется так называемый датчик температуры холодного спая. Как правило это полупроводниковый сенсор – диод или транзистор. Теперь по измеренной термоЭДС и известной температуре холодного спая, вторичный прибор, зная градуировку подключенной термопары, может однозначно определить температуру рабочего спая.

На некоторых предприятиях термопары ХА изготавливают самостоятельно, сваривая специальную проволоку диаметром 2-3 мм. Для определения полярности полученной термопары в этом случае используют обычный магнит: минус термопары притягивается к магниту, плюс не магнититься. На компенсационный провод и большинство промышленно выпускаемых термопар ХА это правило не распространяется. Определить полярность термопары можно и с помощью обычного милливольтметра, подключив его к выводам термопары и нагревая рабочий спай термопары, например, зажигалкой.

Распространенной неисправностью у термопар является разрушение рабочего спая в следствии появления трещин из-за частых и значительных колебаний температуры. При этом термопара может нормально работать пока измеряемая ей температура не превысит определенного порога, после которого контакт в спае пропадает, термопара уходит в обрыв или ее показания начинают сильно скакать.

Для бесконтактного непрерывного измерения температуры применяют стационарные  пирометры. В случае, если в поле «зрения» пирометра может попадать пламя горелки, то следует использовать пирометры со спектральным диапазоном измерения 3,5…4 мкм чтобы исключить влияние температуры факела на показания пирометра.

Дополнительную информацию вы можете найти в разделе «Вопрос-ответ».

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение температуры.

Термоэлектрический анализатор металлов и сплавов ТАМИС

Данное оборудование указано в следующих разделах каталога:

Богатый опыт работы по анализу причин брака на различных производствах, анализу выхода из строя изделий различной сложности и назначения привел к необходимости создания недорогого, простого в обращении именно в производственных условиях анализатора металлов и сплавов (включая цветные).

Эффект Зеебека

В основе работы прибора лежит эффект Зеебека, когда при нагревании соединения двух разнородных металлов возникает термоэдс, величина которой зависит от химического состава исследуемых металлов.

Термоэдс легко поддается надежным измерениям и широко используется в промышленности в термопарах для измерения температур при различных технологических процессах.

Преимущества термоэлектрического анализатора металлов и сплавов

При разработке анализатора металлов основное внимание было уделено:

  • надежности
  • достоверности получаемых результатов
  • простоте эксплуатации

Учитывался тот факт, что прибором могут пользоваться школьники, кладовщицы, рабочие, мастера.

  • Широкий спектр применения прибора:
    • на производственных участках металлообрабатывающих производств (ОТК, материальных кладовых, при входном контроле и пр.)
    • на сборочных участках для контроля металлов в собранных узлах, определения видов покрытия выводов радиоэлементов, марок припоев
    • в термических участках
    • в ювелирных мастерских
    • в мастерских высших учебных заведений и школьных мастерских
    • в исследовательских лабораториях
    • в Центральных заводских лабораториях
    • в лабораториях входного контроля металлов
    • в следственных отделах для оперативного контроля изъятых изделий из драгоценных металлов
    • при проведении лабораторных работ по металловедению в учебных заведениях
  • Простота применения
  • Компактность
  • Не требует квалифицированного персонала
  • Оперативность измерения

Методика определения металлов анализатором ТАМИС

Анализатор способен различить более 40 различных марок сталей и цветных металлов. Для получения достоверных результатов анализа необходимо строго следовать методике проведения анализа.

В комплект поставки входит таблица значений термоэдс, где представлено 40 наиболее применяемых в производствах марок металлов, включая цветные и титановые сплавы, припои. Значения термоэдс имеют минимальные и максимальные значения, что обусловлено разбросом содержания легирующих элементов в пределах стандартов, направлением проката, структурным состоянием. Величина термоэдс определялась на 5 и более плавках каждой представленной в таблице марки. На отсутствующие марки значения термоэдс легко определяются самостоятельно.

Анализ металлов, проверка партии на однородность по металлу осуществляется в два этапа:

  • калибровка анализатора по одной из деталей
  • непосредственно анализ всей партии

Определение марки осуществляется сверкой показаний анализатора с табличными значениям. В случае совпадения марок металлов в партии деталей на индикаторе появляется «Да» и «Нет», если в партии есть детали из другой марки металла. Калибровка и анализ проводят в три касания, при каждом незначительно изменяя точку анализа, что позволяет повысить достоверность контроля.

Технические характеристики

Напряжение питания ~220 В 50 Гц
Потребляемая мощность, не более 15 Вт
Готовность к работе, не более 10 мин
Время анализа одного образца, не более 1 мин
Время непрерывной работы от аккумулятора 5 час
Достоверность результатов, не менее 97 %
Рабочий диапазон температуры 18…23 °C
Габаритные размеры 90×150×50 мм
Габаритные размеры аккумулятора 80×145×60 мм
Масса с блоком питания 0,8 кг
Масса с аккумулятором и зарядным устройством 1,5 кг
Термоэлектрический стол

от Ikea превращает тепло в электричество

Вы можете не осознавать, сколько тепла выделяют предметы повседневного обихода. Ваш компьютер, телевизор или даже чашка чая — все это излучает тепло, но оно тратится зря. В течение многих лет было мечтой превратить это тепло в электричество.

Теперь, с термоэлектрической технологией, это возможно. Начинают развиваться новые концепции, такие как генераторы, построенные из наноразмерных материалов. Еще одна концепция — это подход к встраиванию этой технологии в мебель.Два студента-дизайнера, Сергей Комарденков и Виханга Гор, предложили эту идею, Heat Harvest, и разработали ее в исследовательском центре Space10 в Копенгагене, поддерживаемом Ikea. В результате появился электрический стол Ikea, который мог поглощать тепло и превращать его в электричество.

Например, обычный ноутбук потребляет 40 Вт электроэнергии и выделяет такое же количество тепла во время работы. Электрический стол Ikea, оснащенный системой Heat Harvest, будет использовать встроенную подушку, которая будет поглощать это тепло и пропускать его через небольшой термоэлектрический генератор. Произведенная электроэнергия будет доступна через док-станцию ​​для беспроводной зарядки, которая также находится на столе. Теоретически вы можете поставить горячий напиток на стол и одновременно зарядить телефон.

Вы можете подумать: «Электрический стол Ikea — не новая концепция», но в настоящее время эта идея ограничивается наборами станций беспроводной зарядки, которые можно использовать для модификации существующей мебели. Термодинамика и лежащая в ее основе технология намного сложнее. Это хорошо известная концепция, но только недавно она стала эффективным способом получения электричества из тепла.Материалы, которые являются одновременно хорошими проводниками электричества и плохими проводниками тепла, традиционно редки и дороги.

Теперь новые компании, такие как Alphabet Energy и Tellurex, разрабатывают более дешевые варианты, в которых используются нанотехнологии для ограничения эффективности теплопроводности в полупроводниках; это дает возможность использовать их в качестве термоэлектрических генераторов. Хотя до покупки электрического стола Ikea может быть еще много времени, приятно осознавать, что это возможность, а не просто мечта.

(Посещали 241 раз, сегодня 1 посещали)

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Глобальные сеточные оценки использования термоэлектрической энергии и производственных водных ресурсов — Вассоло — 2005 — Исследование водных ресурсов

Реферат

[1] Представлены новые глобальные сеточные оценки промышленного водопользования около 1995 г., в которых впервые проводится различие между использованием воды для охлаждения тепловых электростанций и для производства. Оценки годовых значений водозабора и потребления представлены с пространственным разрешением 0.5 ° на 0,5 °. Использование воды в термоэлектрической энергии основано на географическом расположении 63 590 тепловых электростанций. Потребление воды производственными предприятиями рассчитывается путем сначала оценки значений водозабора для конкретной страны, которые затем распределяются как функция ночного освещения в городе. Сравнение с промышленным водопользованием в 50 штатах США и 89 регионах в России показывает, что разработанный набор данных удовлетворительно отражает потребление воды термоэлектрической энергией, в то время как использование воды в промышленности остается весьма неопределенным.

1. Введение

[2] В последние годы были предприняты различные попытки оценки ресурсов пресной воды и использования пресной воды в глобальном масштабе [ Шикломанов , 1997, 2000; Vörösmarty et al. , 2000; Институт мировых ресурсов ( WRI ), 2000; Alcamo et al. , 2003 г .; AQUASTAT, http://www.fao.org/ag/agl/aglw/aquastat/main/index.stmm, по состоянию на 2003 г.]. Основная цель этих усилий состояла в том, чтобы оценить ситуацию с доступностью воды во всем мире и, таким образом, определить те страны или речные бассейны, которые характеризуются нехваткой воды, или предсказать те, которые будут в будущем.Эти исследования используются политиками, неправительственными организациями и заинтересованной общественностью для определения регионов мира, которым потребуется больше внимания и инвестиций для решения текущих и будущих водных проблем. Хотя глобальная информация о водных ресурсах относительно надежна благодаря измерениям осадков и речного стока, а также передовым гидрологическим моделям, глобальная информация о водопользовании, как правило, очень скудна. Только правительство США предоставляет легкодоступную информацию о водопользовании с высоким пространственным разрешением [ U.С. Геологическая служба ( USGS ), 1996]. Большинство других правительств оценивают водопользование для всей страны. Кроме того, точные определения водопользования и секторов водопользования не являются согласованными в глобальном масштабе.

[3] Промышленный забор пресной воды составляет примерно 20% от общего мирового забора (70% используется для орошения). Эти изъятия широко варьируются от страны к стране, в основном в зависимости от уровня экономического развития страны.Страны с высоким уровнем доходов используют в среднем 59% забираемой ими воды для промышленных целей, страны с низким уровнем доходов — только 8% (Программа оценки водных ресурсов мира, http://www.unesco.org/water/wwap/facts_figures/water_industry. штмл). Важность знания глобального распределения промышленного водопользования имеет отношение не только к проблеме нехватки воды, но и к проблеме качества воды, поскольку управление и удаление промышленных сточных вод может привести к серьезному загрязнению воды.

[4] Глобальная информация о промышленном водозаборе существует только как «общий промышленный водозабор на страну» [ WRI , 2000; Шикломанов , 2000; АКВАСТАТ, http: // www. fao.org/ag/agl/aglw/aquastat/main/index.stmm, по состоянию на 2003 г.], а оценки промышленного водопотребления (количество забираемой воды, которая испаряется в атмосферу во время использования) даны по Шикломанов [2000] как коэффициент вывода для 26 регионов мира. К сожалению, эти наборы данных не обеспечивают пространственного распределения по странам, что необходимо для оценки водной ситуации в речных бассейнах. Vörösmarty et al. [2000] и Alcamo et al. [2003] распределил страновые значения промышленных водозаборов по ячейкам сетки 0,5 ° на основе городского населения. Еще один важный недостаток всех существующих наборов данных о промышленном водопользовании в глобальном масштабе заключается в том, что нет различия между долей промышленного водопользования, используемой для охлаждения тепловых электростанций, и долей, которая поставляется на производство. Эта дифференциация важна, потому что вода, используемая для охлаждения тепловых электростанций, также называемая использованием воды для термоэлектрической энергии, не приводит к химическому загрязнению водоприемников, хотя при определенных обстоятельствах сброс этих вод приводит к тепловому загрязнению рек (USGS, Water Используйте концепции и термины, http: // wa. water.usgs.gov/data/wuse/concepts.htm). Кроме того, движущие силы использования воды для термоэлектрической энергии отличаются от движущих сил производственного сектора. Этот момент становится актуальным при оценке будущего использования воды промышленными предприятиями. Дифференцированная информация об объемах забираемой и потребляемой воды как для охлаждения тепловых электростанций, так и для производства доступна только для США, где данные публикуются по каждому округу [ USGS , 1996].

[5] Эта статья устраняет этот информационный пробел и представляет 0 в глобальном масштабе.5-градусные сеточные оценки промышленного водозабора и безвозвратного водопользования в 1995 году. В этих оценках проводится различие между использованием воды для термоэлектрической энергии и использованием воды для производства (горнодобывающая промышленность не включена), и учитываются только виды использования пресной воды, как и использование соленой или соленой воды. не влияют на наземный цикл пресной воды. Эти оценки являются улучшением ранее представленных оценок главным образом потому, что (1) использование воды для охлаждения тепловых электростанций отличается от использования воды для производства, (2) учитывается подробная информация о местонахождении и мощности тепловых электростанций, и рассматривается влияние системы охлаждения на водопользование, и (3) значения промышленного водопользования по странам, приведенные в литературе [ Шикломанов, , 2000], проверяются на достоверность.Эти оценки будут включены в следующую версию WaterGAP, глобальной модели, которая рассчитывает водные ресурсы и водопользование с разрешением 0,5 ° [ Alcamo et al. , 2003 г .; Döll et al. , 2001]. Таким образом, оценки, представленные в этом документе, будут способствовать лучшей оценке водопользования и водного стресса во всех крупных речных бассейнах земного шара. Их также можно использовать для разработки сценариев будущего промышленного водопользования, поскольку алгоритмы, разработанные для расчета водопользования в 1995 году, учитывают соответствующие движущие силы промышленного водопользования. Кроме того, оценки использования воды термоэлектрической энергией могут продвинуть макроуровневую оценку теплового загрязнения рек, поскольку указаны места и объемы сброса воды от тепловых электростанций.

[6] В разделе 2 данной статьи представлены методы расчета использования воды для термоэлектрической энергии и использования воды в производстве, а в разделе 3 описаны полученные в результате оценки с привязкой к сетке в глобальном масштабе. В разделе 4 обсуждается надежность оценок, а в разделе 5 представлены выводы исследования.

2. Методы оценки водопотребления промышленных предприятий, подключенных к сети

[7] Глобальные сеточные оценки промышленного водопользования включают годовые значения (1) водозаборов термоэлектрической энергии, (2) водопотребления термоэлектрической энергии, (3) забора воды для производства и (4) потребления воды для производства в 66 896 странах. Ячейки сетки 0,5 ° на 0,5 °. Все оценки представляют ситуацию примерно в 1995 году.

2.1. Термоэлектрическое использование воды

[8] На рисунке 1 представлен обзор шагов, выполняемых при вычислении использования воды термоэлектрической энергией в каждом 0.Ячейка сетки 5 °. Сначала оценивается годовой забор и потребление воды каждой из 63 590 тепловых электростанций (Рисунок 2), а затем добавляются водопользования всех станций в ячейке сети. Общий объем воды, забираемой каждой из 63 590 электростанций, рассчитывается путем умножения годового производства электроэнергии (МВтч / год) на водоемкость электростанции (водозабор на единицу выработки электроэнергии, в м 3 / МВтч) . Общий годовой водозабор термоэлектрической энергии (TWW, в м 90 · 103 3 90 · 104 / год) в каждой ячейке затем рассчитывается как сумма забора всех электростанций в ячейке: где EP i — годовая электроэнергия, произведенная тепловой электростанцией i в пределах ячейки (МВтч / год), WI i — интенсивность водозабора для конкретной станции (м 3 / МВтч), которая зависит от системы охлаждения. станции Cs i , а n — количество станций в ячейке.ЕР и в уравнении (1) представляет движущую силу для термоэлектрического отвода воды. Для получения оценок водопользования в 1995 году, EP i был рассчитан на основе страновых значений производства энергии в 1995 году и информации по конкретным станциям (раздел 2.1.2). Оценка WI i описана в разделах 2.1.3 и 2.1.4. Общее термоэлектрическое потребление воды рассчитывается аналогичным образом с использованием значений интенсивности водопотребления для конкретной электростанции в уравнении (1).

Описание методики расчета использования воды на охлаждение тепловых электростанций.

Местоположение 63 590 тепловых электростанций, включенных в расчет нового набора данных.

[9] Задавая будущие тенденции движущей силы годового производства электроэнергии, можно разработать сценарии использования воды для охлаждения тепловых электростанций. Кроме того, будущие сценарии TWW могут быть получены с помощью (1) включения коэффициента технологических изменений в уравнение (1), чтобы отразить снижение интенсивности забора воды для данной системы охлаждения, (2) изменения системы охлаждения в определенном месте электростанции. , (3) закрытие электростанций и (4) добавление новых электростанций в ячейку сети.

2.1.1. Локализация ТЭЦ

[10] Набор данных по мировым электростанциям Института коммунальных данных (http: // www.platts.com, доступ 2000 г.) предоставляет исчерпывающие глобальные данные по всем типам электростанций. Набор данных содержит информацию о названии станции, установленной мощности, году подключения к сети, типе топлива и типе охлаждения (только для небольшой части станций, сравните раздел 2.1.3), а также другую соответствующую информацию. , но не включает информацию о точном географическом местоположении. Всего в набор данных включено 63 590 тепловых электростанций. Для определения географических координат станций используется база данных названий зарубежных географических объектов Национального агентства изображений и картографии (База данных названий иностранных географических объектов, The GEOnet Names Server (GNS), http: // earth-info.nga.mil/gns/html/cntry_files.html). Эта база данных представляет собой хранилище географических названий, включающее около 3,7 миллиона географических объектов с их географическими координатами (десятичная широта и долгота). Поскольку названия электростанций в наборе данных UDI обычно отражают названия мест или городов, где расположены станции, большинство из них были выделены посредством автоматического слияния таблиц. Недостающие станции были вручную привязаны к ячейке сетки. Из 63 590 тепловых электростанций 98% работают на ископаемом топливе, 1% — на атомной энергии и еще 1% — на геотермальной энергии (Рисунок 2).

2.1.2. Расчет годовой выработки электроэнергии каждой электростанцией

[11] Набор данных UDI содержит значения установленной мощности. Эти значения были суммированы для каждой страны и сопоставлены с опубликованными данными об общей установленной мощности для производства электроэнергии в каждой стране (Управление энергетической информации (EIA), Международные данные об установленной мощности электроэнергии, январь 1980 г. — январь 2002 г., доступны по адресу http: // www.eia.doe.gov/emeu/international/electric.html#IntlCapacity, по состоянию на 7 марта 2005 г.), чтобы оценить полноту базы данных. Это сравнение показало, что установленная мощность согласно набору данных UDI находилась в диапазоне ± 10% от страновых данных EIA в 37 из 92 стран, но была больше для других стран. Однако, по данным EIA, на эти 37 стран приходится 72% от общей установленной мощности в мире.

[12] Электроэнергия, произведенная в 1995 году для каждой отдельной станции, рассчитывается как произведение установленной мощности и рабочего времени станции.Первоначальная оценка рабочего времени электростанции основана на данных 1997 года, опубликованных для Германии [ Verwand der Elektrizitätswirtschaft , 1997], в зависимости от типа топлива (нефть, природный газ, уголь, бурый уголь и уран). Вычисленные объемы производства электроэнергии суммируются для каждой страны и сравниваются со значениями производства электроэнергии в стране, как указано на веб-сайте EIA, в базе данных Международного агентства по атомной энергии по атомным электростанциям (http://www.iaea.org/programmes/a2/ показатель.html) и Центрального разведывательного управления [2001]. Для каждой страны конкретное рабочее время типа станции было изменено таким образом, чтобы количество электроэнергии, производимой электростанциями UDI, совпадало со значениями, указанными в литературе для страны.

2.1.3. Определение системы охлаждения

[13] Количество воды, забираемой или потребляемой электростанцией, определяется исключительно типом установленной системы охлаждения. В основном можно выделить два типа: система «однопоточная» и система «градирня».В первом случае охлаждающая вода возвращается в источник сразу после охлаждения конденсатора. Эта система требует очень большого забора воды на единицу произведенной электроэнергии, но потребление составляет очень небольшую часть забора (0,36%). В системе «градирня» охлаждающая вода течет по замкнутому контуру. Тепло отводится от охлаждающей воды путем контакта с воздухом в градирне. Забор в этой системе невелик, так как вода покидает станцию ​​в основном за счет испарения в градирне (потребление), а не за счет обратного потока к источнику.Хотя система характеризуется очень низким водозабором по сравнению с системой «однопоточный» (в 45 раз меньше), расход воды на единицу произведенной электроэнергии примерно вдвое выше, чем при охлаждении «однопоточный». система.

[14] К сожалению, информация о типе системы охлаждения доступна только для 11% тепловых электростанций в базе данных UDI. Однако анализ этих данных позволил разработать два различных метода оценки системы охлаждения остальных станций.Первый, основанный на информации из Соединенных Штатов, применяется к США и Канаде, а второй, основанный на информации из европейских стран, применяется ко всем другим странам.

2.1.3.1. США и Канада

[15] База данных UDI предоставляет тип системы охлаждения для 16% из 16 590 действующих тепловых электростанций в США в 1995 году. Однако эти станции составляют 80% от общей установленной мощности тепловых электростанций.Анализ данных показывает, что доля «однопоточных» охлаждаемых электростанций неуклонно снижалась с 1970 года, когда системы охлаждения вновь построенных тепловых электростанций были переведены на «градирни». Чтобы принять решение о типе системы охлаждения для 14 212 электростанций без информации, были получены годовые доли каждого типа охлаждения на основе статистического анализа как системы охлаждения, так и года, в котором станции с информацией были подключены к сети.Таким образом, количество каждого типа системы охлаждения оценивалось на каждый год. Затем каждый тип системы охлаждения был случайным образом распределен в пространстве по всем станциям, построенным за данный год. Эта методика также применялась для Канады, где 1455 из 1527 тепловых электростанций не имеют информации о системе охлаждения (52% от установленной мощности тепловых электростанций).

2.1.3.2. Все остальные страны

[16] Историческое развитие типов систем охлаждения в Европе не показывает тенденции, как в Соединенных Штатах, и для этого континента пришлось разработать другую методологию.Были проанализированы данные системы охлаждения для Чехии, Франции, Германии, Греции, Ирландии, Италии, Португалии, России, Испании и Великобритании. Гипотеза заключалась в том, что из-за того, что охлаждение «однопоточным потоком» требует больших объемов воды, а ее сброс нагревает реку, системы «градирни» будут преобладать в ячейках 0,5 ° с низким расходом воды в реке и высокой выработкой электроэнергии для предотвратить чрезмерное нагревание. Общее количество произведенной электроэнергии в каждой ячейке было нанесено на график зависимости от расхода реки, рассчитанного с помощью гидрологической модели WaterGAP для климатической нормы 1961–1990 гг. [ Döll et al., 2003]. Этот график показывает, что «однопоточные» системы охлаждения в основном устанавливаются в ячейках, где выработка электроэнергии ниже 100 ГВтч / (ячейка в год), а расход превышает 0,3 км 3 / год.

[17] Из-за отсутствия информации о типах систем охлаждения для Азии, Африки, Латинской Америки и Океании; для этих континентов невозможно было разработать независимую методологию. Метод, разработанный для Европы, был протестирован на данных из Южно-Африканской Республики.Он определяет все тепловые электростанции в стране как оборудованные градирнями, что является точным. Поэтому было решено применить европейский метод для всех стран, кроме США и Канады.

2.1.4. Определение интенсивности воды как функции системы охлаждения

[18] Чтобы определить интенсивность забора воды для каждой системы охлаждения (в м 3 / МВтч), данные от различных операторов электростанций или соответствующих органов были проанализированы статистически. Полученные значения: (1) 180 м 3 / МВтч для тепловых электростанций с «однопоточным» охлаждением и (2) 4,5 м 3 / МВтч для тепловых электростанций с «градирней».

[19] Интенсивность водопотребления для каждой из двух систем охлаждения была получена из данных Европейской комиссии [2001] для европейских тепловых электростанций как (рис. 1): (1) 0,65 м 3 / МВтч для тепловых электростанций. электростанции с «однопоточным» охлаждением и (2) 1.33 м 3 / МВтч для ТЭС с «градирней».

2.2. Использование воды в производстве

[20] На рисунке 3 показано, как было рассчитано использование воды в производстве. Сначала были оценены значения для страны, которые затем были разбиты на ячейки сетки 0,5 ° на основе ночных городских огней (как описано в разделе 2.2.2). Данные о водозаборе для производства в масштабе страны были доступны только для США, Канады и некоторых европейских стран. Однако имеется информация об общем промышленном использовании воды почти для всех стран [ WRI , 2000; Шикломанов , 2000]. Можно оценить стоимость использования воды производственными предприятиями по стране, просто вычтя рассчитанное здесь термоэлектрическое потребление воды из опубликованного общего объема промышленного водопользования. Тем не менее, показатели общего промышленного водопользования по странам могут существенно различаться в зависимости от источника информации. Поэтому был разработан метод как для проверки достоверности литературных данных, так и для получения наилучшей оценки промышленного использования воды в каждой стране.

Описание методологии расчета водопотребления для производства. Производственные секторы, включенные в расчет, включают химикаты, целлюлозу и бумагу, чугун, сахар, пиво, ткань, сырую сталь и цемент.

[21] Производственные секторы, включенные в вычисления, включают химикаты, бумагу и картон, чугун, ткани, сырую сталь, сахар, пиво и цемент. Первые шесть секторов — это секторы с наибольшим водопотреблением (в м3 3 воды на тонну продукции).Сахар и пиво включены в производство, чтобы использовать воду для производства в очень бедных странах, где нет других производственных секторов. Цемент, который производится в большинстве стран с широким диапазоном водозаборов, включен для корректировки расчетов в соответствии с наиболее правдоподобными литературными данными об общем промышленном водозаборе (путем корректировки его водоемкости). Однако для ряда стран требуется дополнительный поправочный коэффициент f, чтобы получить наиболее достоверные литературные данные.

[22] Общий водозабор производственной воды для конкретной страны (MWW, в м3 3 / год) рассчитывается как где f — поправочный коэффициент, VP i — годовой объем производства каждого из восьми производственных секторов (тонны / год), а WI i — водоемкость для конкретного сектора (m 3 / тонна). Для получения оценок MWW в 1995 году движущие силы VP i и интенсивности воды WI i определены, как описано в разделе 2.2.1. Сценарии будущего использования воды производственными предприятиями могут быть сгенерированы путем (1) предписания увеличения объемов производства и (2) включения факторов технологических изменений в уравнение (2) для учета снижения интенсивности отраслевого использования воды производственными предприятиями.
2.2.1. Оценка объемов производства и определение водоемкости для конкретных секторов

[23] Объемы производства в 1995 году для каждого из восьми производственных секторов страны были получены от United Nations [1997] и Central Intelligence Agency [2001].Данные по типичной интенсивности водозабора для конкретных секторов доступны только для некоторых промышленно развитых стран. Таблица 1 показывает, что эти цифры значительно различаются в зависимости от страны, и ожидается, что интенсивность в развивающихся странах может даже выходить за пределы указанных диапазонов. Из-за отсутствия данных используется среднее значение опубликованных цифр для тех стран и секторов, по которым данные отсутствуют (Таблица 1).

Таблица 1. Удельная водоемкость для различных производственных секторов
Страна Химикаты, м 3 / т Целлюлоза и бумага, м 3 / т Чугун, м 3 / т Сахар, м3 3 / т Пиво, л / л Ткань, м 3 / т Необработанная сталь, м 3 / т
Канада 345 157 190 9. 3 б
США 600 e 180 с 86 б 9 б 9 б 200 д 6 б
Китай 56 б
Япония 56 б
Австрия 150 e 15 e 10 e 15 e
Бельгия 9. 3 б
Дания 10 б 3.4 e
Финляндия 100 б 10 б 9 б 110 б
Франция 150 б 21 e 25 e 110 б 63 б
Германия 1200 f 50 f 96 f 10 б
Ирландия 8 e
Израиль 2 г 13. 5 б
Норвегия 20 e 10 e 30 e
Россия 223 б 63 б
Южная Африка 350 ч
Испания 250 e 3. 5 e 6 e 8 e 30 e
Швеция 20 e 0.5 e 4 e 45 e 5,3 e
Великобритания 20 e 1. 5 e 6.5 e 110 e 100 e
Среднее значение 715 120 124 8.3 9,5 133 39

[24] Опубликованные промышленные водозаборы значительно различаются между источниками. Можно сделать вывод, что цифры Шикломанов [2000] лучше, потому что они были получены с использованием последовательной методологии, тогда как данные WRI [2000] представляют собой компиляцию из разных источников. Однако таблица 2 показывает, что значения промышленного водопользования Шикломанов [2000] также отличаются от показателей, опубликованных отдельными странами. Поэтому расчеты водозабора на производстве были скорректированы с учетом значений из источников по отдельным странам, когда они доступны (Таблица 2), а для остальных стран использовались значения Шикломанов, [2000], если только значения WRI [2000] не оказались более правдоподобными. (см. ниже).Согласно Carmichael и Strzepek [1987], интенсивность водозабора для цемента широко варьируется от 50 м 3 / т до 900 м 3 / т, в зависимости от используемой технологии и, таким образом, является подходящим параметром настройки.

Таблица 2. Страновые значения общего промышленного водопользования за 1995 г.
Значения для конкретной страны, × 10 6 м 3 / год Шикломанов [2000] Значения, × 10 6 м 3 / год
Канада a 35 571 39 542
Германия b 35 138 32 200
Ирландия c 250 599
Израиль д 110 100
Италия c 7 980 11 676
Норвегия c 1,378 1,440
Россия e 39 500 50 220
Швеция c 1,479 1,758
Соединенное Королевство f 7,190 21 996
США г 218 608 216 630

[25] Из 160 рассмотренных стран, 18 не имели литературных значений промышленного водозабора, с которым можно было бы настроить, а у других 7 было потребление воды термоэлектрической энергией больше, чем общее промышленное водопотребление из Шикломанов [2000] или WRI [ 2000]. Для этих 25 стран потребление воды производством было рассчитано простым способом путем простого умножения произведенных объемов на среднюю удельную водопотребность по секторам, представленную в Таблице 1, и значение 50 м 3 / т для цемента. Кроме того, 54 страны были настроены с использованием Shiklomanov [2000] промышленного водопользования, 11 — с использованием WRI [2000] и 9 с использованием значений для конкретной страны из таблицы 2 с использованием водоемкости для цемента в диапазоне 50 м 3 / тонну до 900 м 3 / тонну.В случае 11 стран, настроенных с использованием цифр WRI [2000], было невозможно получить значения Shiklomanov [2000] при водоемкости цемента в пределах предписанного диапазона. Остальным 61 стране был присвоен промышленный водозабор больше или меньше опубликованных значений после первой настройки. Была проведена новая настройка, в которой общий производственный водозабор был увеличен или уменьшен (при необходимости) на 20%. В этом случае еще 31 страна может быть настроена на значения Шикломанов [2000], но для настройки оставшихся 30 стран потребуется еще более сильная корректировка.В 17 из этих 30 стран, большинство из которых являются засушливыми и полузасушливыми странами, расчетные цифры были намного больше опубликованных значений, а водозабор производственной воды был сокращен (путем уменьшения настраивающего коэффициента f в уравнении (2)) для получения максимальной правдоподобные значения ( Шикломанов [2000] во всех случаях, кроме Замбии, которая была настроена на значение WRI [2000], поскольку необходимый поправочный коэффициент был меньше, чем он должен был бы получить Шикломанов [2000]) данные).Аналогичным образом, общий забор производственной воды был увеличен в 13 оставшихся странах для получения наиболее вероятного промышленного водопользования (в 8 случаях до WRI [2000] и в 5 случаях до значений Шикломанова [2000]). Пример Израиля (по которому была доступна информация по отдельной стране) является типичным примером для засушливых или полузасушливых стран, где потребовалось очень сильное снижение средней интенсивности водопотребления в конкретных секторах. Таким образом, расчетные промышленные водозаборы даже при водоемкости цемента всего 50 м 90 · 103 3 90 · 104 / т дали 0.461 км 3 / год, но записи из страны указывают в целом только 0,11 км 3 / год (Драйзин, Уполномоченный по водным ресурсам Израиля, личное сообщение, 1998). Очевидно, что передовые водосберегающие технологии приводят к гораздо более низкому водопотреблению в Израиле, чем в странах с в целом влажным климатом, для которых доступны данные о водопотреблении для конкретных секторов (Таблица 1).

[26] Для оценки безвозвратного использования для производства, использование водозабора умножается на эффективность использования производственной воды (отношение потребления к водозабору).Из-за отсутствия дополнительной информации для всех стран предполагается эффективность использования воды в производстве 0,135, что является средним значением для Соединенных Штатов [ USGS , 1996].

2.
2.2. Пространственное разделение использования воды производителями в стране по ячейкам сетки 0,5 °

[27] Расчетные водозабор и потребление производственной воды по странам распределяются по сетке 0,5 ° пропорционально интенсивности света городских огней в ночное время (Национальный центр геофизических данных, данные DMSP, собранные U.S. Air Force Weather Agency, http://dmsp.ngdc.noaa.gov/html/download_Night_time_lights_94-95.html, по состоянию на 1998 г.). Каждый пиксель на этой карте ночных огней города представляет частоту появления света на безоблачном изображении. Он собирает изображения безоблачных ночей, сделанные с октября 1994 года по март 1995 года, и был вручную очищен от огней от пожаров, лодок в прибрежных районах с интенсивной рыбной ловлей и газовых факелов. Распределение потребления воды производственными предприятиями в соответствии с ночным освещением города основано на предположении, что промышленная деятельность и, следовательно, промышленное водопользование должны быть в некоторой степени коррелированы с освещением. Для сравнения, использование воды для производства также распределялось пропорционально городскому населению (как это было сделано Vörösmarty et al. [2000] и Alcamo et al. [2003]), самым ярким ночным городским огнями и площадью камеры. . Последний представляет собой пространственно однородное распределение значений водозаборов по стране.

3. Результаты

[28] На рисунке 4а показан термоэлектрический забор воды в 1995 году.Самый большой отток происходит в высокоразвитых индустриальных регионах, таких как восточная часть США и западная Европа, но также и в западной части восточной Европы и в Китае. В Японии большинство тепловых электростанций охлаждается соленой водой и поэтому были исключены из оценок, поскольку в данном документе рассматривается только использование пресной воды. Во всех других регионах забор воды с термоэлектрической энергии важен только в определенных промышленных центрах (например, вокруг Калгари в Канаде и вдоль реки Ганг в Индии). На рис. 4b показаны водозаборы для производства, которые основаны на распределении значений по странам, пропорциональных городским ночным огням. Что касается производства, то наибольший отбор происходит в Европе и Восточной Азии.

(a) Забор воды для охлаждения тепловых электростанций в 1995 году на ячейку сети 0,5 ° (в млн. М 3 / год). (b) Забор воды для производства в 1995 г. на ячейку сетки 0,5 ° (в млн. м 3 / год).

[29] На Рисунке 5 показано отношение потребления к водозабору от общего промышленного водопользования. Для большинства ячеек это соотношение составляет от 0,1 до 0,25. Он ниже в тех немногих ячейках, где преобладает использование воды для однопоточных электростанций, и выше, где использование воды для электростанций с градирнями является важным.

Соотношение между потреблением и водозабором от общего промышленного водопользования. Меньшие коэффициенты соответствуют ячейкам, в которых преобладают электростанции с «однопоточной» системой охлаждения. Те ячейки, в которых производство является более важным, характеризуются промежуточными значениями отношения потребления к изъятию. Самые высокие коэффициенты указывают на ячейки, в которых преобладает водопотребление электростанциями с «градирнями».

[30] В таблице 3 обобщены промышленные заборы и потребление воды для каждого континента. В Северной Америке самый высокий промышленный водозабор, но большая часть использованной воды возвращается в наземный цикл пресной воды (на каждые 25 миллионов м3 забираемой воды 3 потребляется только 1 миллион м3 воды).Это результат многочисленных тепловых электростанций с «однопоточной» системой охлаждения в Канаде и США. В Европе на каждый миллион 3 потребленной воды забирается 12,5 млн. М3 воды. На всех других континентах соотношение между водозабором и потреблением ниже, поскольку использование воды термоэлектрической энергией прямоточными станциями не имеет значения. Самый высокий забор термоэлектрической воды происходит в Северной Америке, за которой следует Европа. Что касается забора воды в промышленных масштабах, самые высокие показатели наблюдаются в Азии, за которой следует Европа.В 1995 году, по оценкам, 400 км 3 / год будет отведено во всем мире для охлаждения тепловых электростанций и 325 км 3 / год для производства. Расход воды составляет всего 11 км 3 / год (3%) и 44 км 3 / год (13,5%) соответственно. Это резко контрастирует с использованием воды для орошения, где потребление воды составляет почти 50% от примерно 2500 км забираемой воды 3 / год [ Döll and Siebert , 2002].

Таблица 3.Сводная информация о промышленном использовании воды на каждом континенте за 1995 г.
Охлаждение ТЭЦ, × 10 6 м 3 / год Производство, × 10 6 м 3 / год Общее потребление / Всего изъятий
Вывод средств Расход Вывод средств Расход
Северная Америка 224 395 90 249 3,760 42 526 5,741 0. 04
Южная Америка и Карибский бассейн 7,308 334 21 394 2 888 0,11
Африка 3 637 344 6 219 840 0.12
Европа 121 789 3 838 96 586 13 039 0,08
Западная Азия 1,462 159 2 723 159 0. 13
Азия 41 033 2 804 149 415 20 171 0,13
Океания 1,144 168 5 932 801 0.14
Весь мир 400 769 11,407 324 793 43 847 0,08

4.

Обсуждение

[31] Новые глобальные сеточные оценки промышленного водопользования с разрешением 0,5 ° в основном основаны на информации, которая легко доступна в глобальном масштабе. Для согласованности информация о промышленном водопользовании в США и России по конкретным округам не была включена в оценки, но использовалась для их проверки. В этом разделе надежность оценок будет оцениваться путем сравнения их с опубликованными данными.

4.1. Использование воды для охлаждения тепловых электростанций

[32] Для проверки методологии оценки термоэлектрического водозабора вычисленные значения сравниваются с данными из литературы для выбранных стран (Таблица 4). Все литературные значения относятся к 1995 г., за исключением Канады (1991 г.). Значения, рассчитанные для США, Канады, Германии и Ирландии, соответствуют опубликованным значениям. Значения для Франции, Португалии, Испании и Великобритании заметно различаются, но из литературы [ European Environmental Agency ( EEA ), 1999] неясно, включены ли в данные заборы соленой воды. Кроме того, неизвестно, включают ли цифры, приведенные в стандарте EEA [1999], термоэлектрическое использование воды.

Таблица 4. Сравнение расчетных и опубликованных заборов воды для охлаждения тепловых электростанций в 1995 г. для отдельных стран
Рассчитано, × 10 6 м 3 / год Опубликован, × 10 6 м 3 / год Рассчитано / опубликовано,%
США a 187,882 183 396 102
Канада b 28 426 28 289 100
Германия c 26 345 90 249 27 439 96
Франция д 17 944 90 249 25 835 69
Ирландия d 292 277 105
Португалия d 449 2 682 17
Испания d 3,136 4 909 64
Соединенное Королевство d 1,574 1,721 91
[33] Сравнение с независимыми данными ниже странового уровня возможно только для Соединенных Штатов, где значения термоэлектрического водозабора в 1995 году указаны для каждого округа [ USGS , 1996]. Данные по штатам США используются для проверки пространственной разбивки изъятий. На рис. 6 показаны диаграммы забора воды на штат (в млн. М 3 / год) и удельный отбор на территорию штата (в м 3 / (км 2 год)). Эффективность модели ME указывает на соответствие модели по отношению к линии 1: 1 (ME = 1 указывает на идеальное соответствие) и рассчитывается как где TWW — термоэлектрический водозабор в федеральном государстве (млн. м 90 · 103 3 90 · 104 / год), а n — количество штатов.Сравнение расчетных и опубликованных [ USGS , 1996] водозаборов на охлаждение тепловых электростанций в США.

[34] ME отвода термоэлектрической энергии на состояние, в млн. М 3 / год, составляет 0,77, а ME отвода на территорию штата, в м 3 / (км 2 / год), составляет 0,76. Очевидно, что обе цифры достаточно высоки, чтобы сделать вывод о том, что применяемая методология для расчета пространственно распределенных заборов воды термоэлектрической энергии является адекватной и приводит к довольно низкой неопределенности. ME расхода воды термоэлектрической энергии на штат составляет всего 0,58, и 0,43 для потребления на территорию штата, вероятно, из-за того, что принятые значения интенсивности потребления ниже, чем фактические значения для Соединенных Штатов.

4.2. Использование воды в производстве

[35] Проверка пространственной разбивки значений по странам выполняется путем сравнения с опубликованными данными об изъятии промышленных товаров в штатах США [ USGS , 1996] и в 89 административных регионах России [ Госкомстат, , 1998 г. ].Значения для России были получены путем вычитания расчетного водозабора термальной воды из опубликованных значений общего промышленного водозабора. Таблица 5 суммирует эффективность моделирования ME, рассчитанную с использованием уравнения (3) для забора на площадь в м 3 / (км 2 год). В первом столбце указаны значения, полученные с использованием распределения по ячейкам сетки, пропорциональным городским ночным огням (на основе Национального центра геофизических данных (данные DMSP, собранные U. Агентство погоды S. Air Force, http://dmsp.ngdc.noaa.gov/html/download_Night_time_lights_94-95.html, по состоянию на 1998 год, отображение ночных огней города). В таблице 5 также представлены значения, полученные с использованием трех других методов пространственного распределения: (1) пропорционально городскому населению в ячейке сетки (рассчитано на основе Gridded Population of the World версии 2 с веб-сайта Центра международной информационной сети по наукам о Земле. , http://sedac.ciesin.columbia.edu/plue/gpw/index.html?main.html & 2, по состоянию на 2001 г.) и долю сельского населения по конкретной стране, как описано в Döll et al. [2001]), (2) пропорционально самым ярким ночным огням города или, другими словами, самым большим и наиболее ярким пятнам, и (3) пропорционально площади соты. Последний вариант означает, что промышленное водопотребление на клеточную площадь в стране постоянно. Наилучшая эффективность моделирования для каждого региона выделена жирным шрифтом. Эффективность модели для всех четырех методов дезагрегирования очень низка, но распределение, пропорциональное ночным огням в городе, показывает наилучшие результаты, за исключением западной части Соединенных Штатов без учета Калифорнии и Луизианы. Расчетное потребление можно сравнить только с набором данных США. Следовательно, результаты, полученные с использованием распределения, пропорционального городским ночным огням, также являются лучшими, хотя эффективность модели даже ниже, чем эффективность, полученная для изъятий. Похоже, что пространственное распределение использования воды на производстве не может быть получено с помощью таких показателей, как ночные огни города или численность городского населения. Это может показаться очевидным, учитывая, что у крупных водопользователей, таких как бумажные фабрики, вероятно, будет довольно незначительное ночное освещение, и они часто расположены вдали от городских центров.Несмотря на то, что эффективность модели невысока, распределение потребления воды производственными предприятиями, пропорциональное освещению в ночное время в городе, дает хорошие результаты в отношении неразвитых регионов мира с низкой плотностью населения, где использование воды в промышленности незначительно (например, северная Канада, бассейн Амазонки). , Сибирь и Западный Китай).

Таблица 5. Расчетная модельная эффективность вывода продукции из расчета на единицу площади в США и административных регионах России
Огни ночного города, м 3 / (км 2 год) Городское население, м 3 / (км 2 год) Самые яркие ночные огни города, м 3 / (км 2 год) Ячейка
Западная часть США 0.24 0,09 0,24 -0,03
Западные США без Калифорнии и Луизианы -0,15 0. 61 0,44 -2,31
Восточная часть США -0,31 -4,65 -0,56 −0.54
Восточная часть США без Индианы, Западной Вирджинии, Нью-Джерси и Массачусетса -0,46 -4,78 -1,72 -0,55
США 0. 08 -2,41 -0,56 -0,12
США без Калифорнии, Луизианы, Индианы, Западной Вирджинии, Нью-Джерси и Массачусетса 0,13 -2.23 -0,54 0,03
Россия 0,64 -0,38 0,30 −0. 03
Россия без Санкт-Петербурга, Москвы, Республики Ингушетия, Ставропольского края и Ленинградской области 0,21 -1,42 -0,19 -0,10
  • а Значения, выделенные жирным шрифтом, указывают на максимальную эффективность для каждого региона.Западная часть Соединенных Штатов включает Аляску, Аризону, Арканзас, Калифорнию, Колорадо, Айдахо, Айову, Канзас, Луизиану, Миннесоту, Миссури, Монтану, Небраску, Неваду, Нью-Мексико, Северную Дакоту, Оклахому, Орегон, Южную Дакоту, Техас, Юту, Вашингтон и Вайоминг. Восточная часть США включает Алабаму, Коннектикут, Делавэр, Флориду, Джорджию, Гавайи, Иллинойс, Индиану, Кентукки, Мэн, Мэриленд, Массачусетс, Мичиган, Миссисипи, Нью-Гэмпшир, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Северную Каролину, Огайо, Пенсильванию, Род. Остров, Южная Каролина, Теннесси, Вермонт, Вирджиния, Западная Вирджиния и Висконсин.В состав России входит 89 административных регионов.

5. Выводы

[36] Новые глобальные сеточные оценки промышленного водопользования являются первой попыткой предоставить пространственно дезагрегированную информацию как об использовании воды для охлаждения тепловых электростанций, так и об использовании воды для производства примерно в 1995 году. Эти сеточные оценки (размер ячейки 0,5 ° на 0,5 °) включают потребление воды как на самотек, так и на водозабор.Эти оценки помогают лучше оценить глобальную водную ситуацию, особенно текущую ситуацию с водопользованием в речных бассейнах, поскольку они позволяют различать два очень непохожих промышленных водопользования, которые различаются соотношением потребления и забора воды и потенциалом загрязнения. На основе методов оценки промышленного водопользования в 1995 году сценарии будущего промышленного водопользования могут быть получены последовательным образом, поскольку эти методы учитывают различные движущие силы термоэлектрической энергии и использования воды в производственных целях.Кроме того, представленные оценки использования воды для термоэлектрической энергии могут помочь в макроуровне оценки теплового загрязнения рек, поскольку известны как местоположение, так и объем сбрасываемой воды.

[37] Из-за включения конкретного местоположения 63 590 тепловых электростанций, оценки, по-видимому, точно отражают фактическое использование воды для охлаждения тепловых электростанций. Тем не менее, оценки использования воды производственными предприятиями на уровне сети довольно низки по следующим причинам: (1) Опубликованные данные об общем промышленном водопользовании по конкретной стране, на основании которых производственное водопотребление выводится посредством настройки расчетов модели, скорее, неуверенный. (2) Ожидается, что интенсивность водопользования в конкретных секторах будет значительно различаться между странами, но из-за отсутствия данных обычно предполагается, что они будут постоянными в этом исследовании (за исключением нескольких стран, для которых информация по отдельным странам по секторам водных ресурсов интенсивности использования были доступны). (3) Не существует хороших предсказателей для пространственного распределения использования воды производственными предприятиями внутри стран. Учет ночных городских огней, по крайней мере, предотвращает распределение производственного водопотребления в ячейках энергосистемы без особой активности человека.

[38] Чтобы улучшить глобальную картину промышленного водопользования, рекомендуется проводить обследования водопользования, подобные тем, которые проводятся каждые пять лет во всех округах США [ USGS , 1996]. Кроме того, по примеру США, эти опросы должны быть доступны бесплатно. Независимо от глобального анализа, такие исследования станут очень важной основой для планов управления речными бассейнами и управления спросом на воду на уровне речного бассейна или страны.

Благодарности

[39] Исследование финансировалось Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF 07GWK03 — 203008).

    Имя файла Описание
    wrcr10073-sup-0001-t01.txtplain текстовый документ, 1,1 КБ Таблица 1, разделенная табуляцией.
    wrcr10073-sup-0002-t02.txt простой текстовый документ, 824 B Таблица 2, разделенная табуляцией.
    wrcr10073-sup-0003-t03.txt простой текстовый документ, 574 B Таблица 3, разделенная табуляцией.
    wrcr10073-sup-0004-t04.текстовый документ txtplain, 691 B Таблица 4, разделенная табуляцией.
    wrcr10073-sup-0005-t05.txt простой текстовый документ, 1,5 КБ Таблица 5, разделенная табуляцией.

    Обратите внимание: издатель не несет ответственности за содержание или функциональность любой вспомогательной информации, предоставленной авторами. Любые запросы (кроме отсутствующего контента) следует направлять соответствующему автору статьи.

    Ссылки