Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Учебно-методическое пособие.pdf
обратного трубопровода тепловой сети, а если G
( )
[ ]
,
о
р
вт
р
вт
вт
ttс
q
G
−
=
,
п
нн
н
н
р
нн
tt
t
нв нв t
tt
Q qn
=
=
= ⋅
∑
−
нв
t
y
q
−
н
t
n
> Gвт, то избыток удаляется
ов
непосредственно в него. Подача воды для отвода q
с расходом Gвт
вт
производится насосом.
Расход воды для отвода вторичной теплоты в количестве q
(1.12)
,
р
где t
- обычно составляет 1500С.
п
Чем ближе t
р
будет к t
вт
р
t
вт
р
(в пределах температурного потенциала
п
≤ t
р
п
тепловых вторичных энергоресурсов), тем лучше, поскольку ближе к t
вт
р
станет
п
расчетная температура смеси воды. Наиболее благоприятный вариант, когда t
р
вт
= t
р
, однако при этом максимально недоиспользуется теплота вторичных
п
энергоресурсов в течение отопительного периода.
В течение отопительного периода недоиспользование тепловых вторичных
энергоресурсов составляет Q
где
недоиспользование при данной наружной температуре tн; кдж/ч;
нв
(1.13)
число часов регистрации температуры tн в отопительный период, ч.
Количество теплоты вторичных энергоресурсов, используемое в течение
отопительного периода Q
Q
, выражается соотношением
ив
ив
= q
вт nоп
- Qнв, (1.14)
где n
- продолжительность отопительного периода, ч.
оп
Недоиспользование вторичных энергоресурсов является допустимо
умеренным при соотношении q
/ qр ≤ 0,5, т.е. когда значение qвт приближается
вт
71
к тепловой нагрузке систем отопления и вентиляции при средней наружной
температуре отопительного периода t
.
н
1.8.4 Принцип действия и практические приложения параллельнопоследовательной схемы использования вторичных энергоресурсов в
централизованном теплоснабжении
При расчетной температуре наружного воздуха t
параллельная с подачей всего количества q
Если t
становится выше t рн , избыток теплоты вторичных энергоресурсов не
н
вт
в теплопровод подающей сети.
схема работает как
рн
теряется, а переходит в обратный теплопровод. Такой переход выполним по
двум коммуникационным вариантам: переключением части водонагревателей
(вариант 1) или передачей части расхода воды, нагретой тепловыми
вторичными энергоресурсами, из подающего теплопровода на обратный
(вариант 2). Данный вариант эксплуатационно предпочтительнее и
рассматривается ниже. Для отвода теплоты q
направляется обратная вода
вт
систем отопления и вентиляции объекта с тепловыми вторичными
энергоресурсами. Если G
меньше необходимого Gут , разница Gвт - Gов
ов
добавляется из обратного трубопровода районной теплосети, а если имеется
избыток, то разница G
Соответственно при G
подающей теплосети, а при G
него в системы отопления и вентиляции объекта. Вариант G
- Gут по сети соответствует случаям, когда при расчетном режиме qвт для
G
ов
- Gут удаляется непосредственно в этот трубопровод.
ов
> Gов избыток воды Gвт - Gов идет в трубопровод
вт
< Gов недостаток воды Gов - Gут добавляется из
вт
< Gов с добавкой
вт
объекта недостаточно. Расходы воды во внешней сети стабильные.
Большая часть q
идет в подающий трубопровод теплосети. Схема,
вт
практически обеспечивая полную утилизацию тепловых вторичных
энергоресурсов в течение отопительного периода, нуждается в постоянном
эксплуатационном обслуживании. Данная схема сочетает в себе достоинства
последовательной и параллельно-последовательной схем - максимальное
72
использование тепловых вторичных энергоресурсов за отопительный период и
разгрузку теплосети по теплоносителю за счет вторичных энергоресурсов, как
местного теплоисточника.
Схема работает как параллельная при расчетном значении температуры
наружного воздуха t
, а с ее повышением часть вторичной теплоты
рн
сбрасывается на подогрев обратной воды. Такое перераспределение теплоты
осуществимо за счет переключения соответствующей части
водоподогревателей с параллельной схемы теплоиспользования на
последовательную (вариант 1) или с помощью перемычек водоводов внутри
теплоутилизационного узла (вариант 2).
Часовое количество вторичной теплоты поступает в систему отопления и
вентиляции и в теплопровод подающей сети, а превышающее эту величину - в
обратный теплопровод сети. Параллельно-последовательная схема, как и
параллельная, нуждается в местном обслуживании.
При варианте 1 мощность насоса в результате более низкого давления
меньше, чем при варианте 2, но режимное обслуживание теплоутилизационной
системы осуществляется последовательно разными задвижками, тогда как при
варианте 2 оно обеспечивается все время одной парой задвижек. Это упрощает
обслуживание и автоматизацию регулирования.
Параллельно-последовательная схема предпочтительнее
последовательной.
1.9 Основные показатели технико-экономической эффективности
систем утилизации теплоты
1.9.1 Термодинамические показатели
При разработке аппаратов и систем утилизации теплоты возникает
необходимость оценки эффективности принятых решений. В зависимости от
теплофизических особенностей решаемой задачи и имеющейся техникоэкономической информации для оценки применяются термодинамические,
73
термоэкономические и технико-экономические показатели. Данные показатели
макс
т
Q
Q
=
η
используются для оценки всей системы теплоутилизации, отдельных
теплообменников, отдельных элементов теплообменников, процессов тепло - и
массообмена.
Теплофизические характеристики аппаратов и систем теплоутилизации
изменяются при изменении параметров наружного климата, внутренних
воздействий, специфики технологии и т.д. Поэтому показатели по временному
признаку могут быть мгновенными, срочными для расчетных условий,
переменными, среднесуточными, среднемесячными, сезонными, годовыми, за
весь период эксплуатации системы.
Понятие эффективность как комплексный, собирательный показатель
качества, содержит в себе такие понятия, как надежность (безотказность
работы, долговечность, ремонтопригодность), обеспеченность внутренних
условий (расчетная вероятность отказов и частичных отказов), устойчивость
(регулируемость, управляемость системы).
Для оценки качества реального процесса в термодинамике широко
используется прием, который заключается в сопоставлении данного процесса с
аналогичным, что обеспечивает максимальную эффективность при
преобразовании или передачи энергии. Получаемый при этом показатель
называется коэффициентом термодинамического (или термического)
совершенства (КТС) и определяется по формуле
, (1.15)
где Q - энергия, получаемая в реальном процессе;
Q
- энергия, получаемая в идеальном процессе – эталоне.
макс
При анализе работы тепловых насосов и холодильных машин как эталоны
применяются оборотные циклы Карно, Лоренца. КТС характеризует степень
отклонения реального процесса от оборотного. Для тепловых процессов в
74
теплообменниках и отдельных его элементах КТС определяется как отношение
полезно используемой тепловой мощности к величине максимально возможной
в данном процессе тепловой мощности.
В частности, при передаче теплоты в ребре оребренного теплообменника
КТС представляет собой отношение тепловой мощности, проходящее через
основание ребра, к максимальной тепловой мощности, когда температура всего
ребра равна температуре его основания, то есть при теплопроводности
материала ребра λ →∞.
При теплообмене между двумя движущимися средами, разделенными
твердой стенкой, максимум передаваемой тепловой мощности будет
наблюдаться в том случае, когда конечная температура одной из
теплообменивающихся сред достигнет предельной температуры. При
противоточной схеме движения сред это будет среда, обладающая меньшей
теплоемкостью
Практически во всех термодинамических системах преобразование
тепловой энергии или ее передача связаны с затратами других видов
энергии (электрической, механической и т.д.)
Коэффициент использования энергии (КИЭ) представляет собой
отношение получаемой тепловой мощности к затрачиваемой при этом
электрической (механической) мощности.
Для тепловых насосов и холодильных машин КИЭ исчисляется как
отношение тепловой мощности, получаемой в конденсаторе, или холодильной
мощности, получаемой в испарителе, к затрачиваемой в компрессоре
электрической или механической мощности. Его
часто называют тепловым (холодильным) коэффициентом.
При сравнительной оценке теплообменных поверхностей КИЭ
определяется как отношение тепловой мощности, получаемой при работе
данного аппарата, к энергетической мощности, затрачиваемой на прокачивание
теплообменивающихся сред.
75
Для оценки систем теплоутилизации используется эксергетический КПД,
∑
+
=
N
кс
ЕЕ
Е
1
2
η
т опт оп
поп
Мq
Q
=
η
что представляет собой относительную эксергию теплоты, влаги и свободного
давления приточного воздуха системы
где Е
- эксергия теплоты, влаги и свободного давления приточного воздуха
2
, (1.16)
системы;
Е
- размещаемая эксергия теплоты, влаги и свободного давления в потоке
1
удаляемого воздуха;
- эксергия потребляемой электрической (механической) энергии в системе.
Е
N
Любой из перечисленных термодинамических показателей дает только
представление о степени термодинамического совершенства процесса и не
может служить основанием для принятия технического решения.
1.9.2 Термоэкономические показатели
Основным экономическим показателем качества работы
теплоутилизационной установки являются приведенные затраты, которые
учитывают капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Однако, в
условиях дефицита органического топлива цены на тепловую, электрическую и
другие виды энергии не отражают их фактическую ценность, наряду с
приведенными затратами рассматриваются термоэкономические показатели.
Для оценки тепловых насосов применяется коэффициент использования
топлива (КИТ)
, (1.17)
где Q - годовая выработка тепловой энергии в тепловом насосе;
q
- удельная теплота сгорания условного топлива;
топ
76
М
Q
М
м
=
η
,
ВЭР
ВЭР
Q
Q
=
η
- годовой расход условного топлива на выработку электроэнергии,
топ
затрачиваемой в тепловом насосе.
Довольно часто определяющими являются затраты материальных и
трудовых ресурсов. Для оценки расхода материала (а косвенно и труда) в
теплообменных аппаратах применяется коэффициент расхода материала
, (1.18)
где М - масса материала, который идет на изготовление аппарата;
Q - тепловая мощность аппарата.
Для оценки степени использования вторичных энергоресурсов
применяется коэффициент использования вторичных энергоресурсов (КИВ)
(1.19)
где Q - фактически используемая тепловая мощность ВЭР;
Q
- общая тепловая мощность ВЭР.
ВЭР
1.9.3 Технико-экономические показатели
При экономической оценке системы утилизации теплоты определяется ее
экономический эффект как разность приведенных затрат для базового и
предлагаемого вариантов. Как базовый вариант целесообразно принимать
систему без утилизации теплоты. В случае, если сравниваются два
теплоутилизатора, то в качестве базового можно использовать один из
рассматриваемых вариантов.
Экономический эффект от применения теплоутилизационного
оборудования можно рассчитать по формуле
77
( )( )
() ( ) ,
()
ут ут
нор соп соп
нор
ут ут ут
нор прз нор прз
ут ут ут ут ут
нор нор
UU ЕС С
РЕ
В
Э СЕС С ЕС
ВРЕ РЕ
−+ −
+
=+ ⋅ −+ +
++
где С и С
ут
В
В
ут
нор
ут
ут
утут
ЕР
UU
С
СППЭ
+
−
+−=−=
решению;
(1.20)
ут
- сметная стоимость соответственно по базовому и предлагаемому
Е
нор
и Е
ут
- нормативний коэффициент эффективности новой техники по
нор
базовому и предлагаемому решению, равный 0,15;
С
прз
и С
ут
- капитальные вложения в производственные фонды
прз
соответственно по базовому и предлагаемому решению;
- коэффициент учета роста производительности труда при применении
нового способа;
n
Р = 0,1/(1,1
– 1) и Рут - доля отчислений от балансовой стоимости на полное
восстановление основных фондов соответственно по базовому и предлагаемому
решению (здесь n - полный срок службы оборудования);
U и U
ут
- текущие (эксплуатационные) затраты на продукцию соответственно
по базовому и предлагаемому решению;
С
соп
и С
ут
- сопутствующие капитальные вложения в потребителя
соп
соответственно по базовому и предлагаемому решению.
В большинстве практически встречающихся случаев при сравнении систем
с утилизаторами и без утилизаторов можно принять С
Р
ут
, С
соп
≈ С
ут
и формула (1.20) принимает вид
соп
прз
, (1.21)
≈ С
ут
, U ≈ Вут, Р ≈
прз
где П - приведенные затраты в варианте без утилизации теплоты;
ут
П
- приведенные затраты в варианте с утилизацией теплоты.
78
2 ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТЫ
12
12
11 2 2
( ) ( );
p ТА p
Q GC t t G C t t
η
′ ′′ ′′ ′
=⋅ −⋅=⋅ −
2
2
1 22
( ) ( ).
х
х ТА p
Q D h h GC t t
η
′ ′′ ′
=⋅− ⋅=⋅ −
РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Правильный расчет и подбор рекуператора обеспечивают его
максимальную эффективность и высокий КПД, тем самым помогая
значительно экономить на отоплении и кондиционировании.
Чтобы правильно подобрать и рассчитать рекуператор, нужно иметь
достаточно данных о параметрах потоков, между которыми предстоит
теплообмен. Прежде всего, необходимо знать, какую среду вы удаляете (есть ли
агрессивные вещества, пыль, иные загрязнения и др.). Это поможет определить
тип рекуператора. Также нужно знать теплофизические свойства нагреваемого
и охлаждаемого потоков, чтобы легко произвести расчеты, установить нужную
температуру на входе в рекуператор и на выходе, допустимые
аэродинамические потери давления.
Тепловой и конструктивный расчеты предусматривают совместное
решение уравнений теплового баланса и теплопередачи с целью определения
поверхности нагрева и конструктивных размеров теплообменного аппарата
(ТА); внутреннего диаметра кожуха, диаметров патрубков, размеров фланцев и
др.
Уравнения теплового баланса имеет вид:
- для водоводяного ТА
(2.1)
- для пароводяного ТА
(2.2)
В формулах 2.1 и 2.2 принять следующие обозначения:
Q - тепловая мощность, которая передается от греющего теплоносителя к
нагреваемому, кВт;
G
и G2 - массовые расходы греющей и нагреваемой жидкости, кг/с;
1
79
D1 - массовый расход водяного пара, кг/с;
F,
ср
Qk t= ⋅∆ ⋅
1
11
0,5 ( ),
ср
t tt
′ ′′
= ⋅+
2
22
0,5 ( ),
ср
t tt
′ ′′
= ⋅+
12
0,5 ( ) (5...10 ).
ст ср ср
t tt С=⋅++ °
C
p1
и C
- изобарная массовая теплоемкость греющей и нагреваемой жидкости,
p2
кДж/(кг∙град);
tʹ и tʹʹ - температура теплоносителей на входе в ТА и на выходе из него, ˚С;
h
и hк - энтальпия водяного пара на входе ТА и конденсата на выходе из ТА,
x
кДж/кг,
- 0,96...0,98 - коэффициент, учитывающий понижение тепловой мощности
ƞ
ТА
ТА в результате потери теплоты в окружающую среду.
Примечание. В формулах (2.1, 2.2) и далее величины с индексом “1”
характеризуют греющий теплоноситель, а с индексом “2” - нагреваемый.
Основное уравнение теплопередачи имеет вид
(2.3)
где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м
- среднелогарифмический температурный напор, ˚С;
Δt
cр
2
F - площадь поверхности нагрева, м
.
Тепловой расчет ТА предусматривает определение величин k и Δt
2
∙град);
cр
конструктивный - расчет поверхности нагрева F и связанных с ней общей
длиной труб l
и количеством секций или ходов (m или m
общ
ход
).
Тепловой и конструктивный расчеты ТА выполняются в такой
последовательности.
Определить средние температуры теплоносителей t
стенки t
ст
:
(2.4)
и разделительной
ср
,
(2.5)
(2.6)
80