Теплонасосна технологія енергозбереження
Енергоефективність утилізації вторинних енергоресурсів, теплові насоси і установки. Оцінні методи порівняльного аналізу теплонасосних і традиційних систем теплопостачання та термоекономічна модель порівняльних розрахунків для вибору їх устаткування.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 18.05.2014 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ТЕПЛОНАСОСНА ТЕХНОЛОГІЯ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ
В.М. Арсеньєв
Суми,
Вид-во СумДУ 2009
ЗМІСТС
- ПЕРЕДМОВА
- ВСТУП
- Розділ 1. ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ УТИЛІЗАЦІЇ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ
- 1.1 Загальні відомості про вторинні енергоресурси
- 1.2 Енергоаудитна схематизація систем із джерелами ВЕР
- 1.3 Оцінка теоретичного енергопотенціалу потоків ВЕР
- 1.3.1 Параметри оцінки
- 1.3.2 Загальне рівняння теоретичного потенціалу
- 1.3.3 Потік ідеального газу
- 1.3.4 Потік нестисливої рідини
- 1.4 Ексергетичний потенціал стану потоку ВЕР
- 1.4.1 Основні рівняння
- 1.4.2 Потік ідеального газу
- 1.4.3 Потік нестисливої рідини
- 1.4.4 Потік паливних ВЕР
- 1.4.5 Тепловий потік ВЕР
- 1.5 Вибір напряму утилізації ВЕР
- 1.6 Термодинамічний аналіз систем з утилізацією ВЕР
- 1.6.1 Формалізація схем ексергетичних перетворень
- 1.6.2 Ексергетичні критерії енергоефективності
- 1.6.3 Ексергетична ефективність утилізаційних енергоперетворень
- 1.7 Термоекономічний аналіз і оптимізація утилізаційних проектів
- 1.7.1 Загальні положення методології термоекономіки
- 1.7.2 Критерії термоекономічного аналізу
- 1.8 Контрольні питання і завдання
- Розділ 2. ТЕПЛОВІ НАСОСИ І УСТАНОВКИ
- 2.1 Загальні відомості
- 2.2 Парокомпресійні теплові насоси
- 2.2.1 Принцип дії і функціональна схема одноступінчастого теплового насоса
- 2.2.2 Енергетичний баланс і коефіцієнт перетворення
- 2.2.3 Вибір розрахункових температур циклу
- 2.2.4 Вибір робочих речовин
- 2.2.5 Розрахунок питомих і режимних параметрів циклу
- 2.2.6 Ексергетичні характеристики
- 2.3 Контрольні питання і завдання
- Розділ 3. ОЦІННІ МЕТОДИ ПОРІВНЯЛЬНОГО АНАЛІЗУ ТЕПЛОНАСОСНИХ І ТРАДИЦІЙНИХ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
- 3.1 Чинники вибору раціонального теплопостачання
- 3.2 Розрахунок економії палива по повному ланцюгу енергетичних перетворень
- 3.3 Питома вартість енергоспоживання
- 3.3.1 Загальна характеристика
- 3.3.2 Теплоелектронагрівач (ТЕН)
- 3.3.3 Теплогенератор на природному газі
- 3.3.4 Теплогенератор на твердому або рідкому паливі
- 3.3.5 Купівля теплоносія
- 3.3.6 Моновалентна теплонасосна установка
- 3.3.7 Бівалентна теплонасосна установка
- 3.4 Ексергетична ефективність теплогенеруючого устаткування
- 3.5 Контрольні питання і завдання
- Розділ 4. ТЕРМОЕКОНОМІЧНА МОДЕЛЬ ПОРІВНЯЛЬНИХ РОЗРАХУНКІВ ДЛЯ ВИБОРУ УСТАТКУВАННЯ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ
- 4.1 Рівняння термоекономічних показників
- 4.1.1 Загальні положення
- 4.1.2 Моновалентна теплонасосна установка
- 4.1.3 Теплогенератор на паливному газі
- 4.1.4 Теплогенератор на рідкому або твердому паливі
- 4.1.5 Нагрівання середовища споживача купованим теплоносієм убойлері
- 4.2 Термоекономічний аналіз і оптимізація бівалентних теплонасосних установок
- 4.2.1 Схемні розв'язки
- 4.2.2 Схеми ексергетичних перетворень
- 4.2.3 Термоекономічні показники
- 4.2.4 Термоекономічна оптимізація
- 4.3 Термоекономічне порівняння систем автономного теплопостачання
- 4.4 Контрольні питання і завдання
- Розділ 5. РЕЦИРКУЛЯЦІЙНА ТЕРМОТРАНСФОРМАЦІЯ У СИСТЕМАХ З ТЕПЛОМАСООБМІННИМИ ПРОЦЕСАМИ
- 5.1 Загальні положення
- 5.2 Використання повітряних теплових насосів
- 5.2.1 Схеми повітряного теплопостачання
- 5.2.2 Розрахунок параметрів циклу повітряного теплового насоса
- 5.2.3 Ексергетична ефективність повітряного теплового насоса
- 5.3 Компресорно-детандерні агрегати ротаційного типу для повітряних теплових насосів
- 5.3.1 Загальна характеристика
- 5.3.2 Розрахункова методика
- 5.4 Контрольні питання і завдання
- Розділ 6. ТЕПЛОНАСОСНА ТЕРМОТРАНСФОРМАЦІЯ У ВИПАРНИХ І КРИСТАЛІЗАЦІЙНИХ УСТАНОВКАХ
- 6.1 Базові схеми
- 6.2 Балансові рівняння випарного апарата
- 6.3 Ексергетична ефективність випарної установки
- 6.4 Схеми з рекомпресією вторинної пари
- 6.5 Оцінка енергоефективності механічної рекомпресії вторинної пари
- 6.6 Основи розрахунку багатокорпусних випарних установок з механічною рекомпресією
- 6.7 Енергоефективність пароструменевої рекомпресії вторинної пари
- 6.8 Допоміжні розрахункові рівняння і рекомендації
- 6.9 Особливості розрахунку кристалізаційних установок
- 6.10 Контрольні питання і завдання
- Розділ 7. ТЕПЛОНАСОСНА ТЕРМОТРАНСФОРМАЦІЯ У РЕКТИФІКАЦІЙНИХ УСТАНОВКАХ
- 7.1 Балансові рівняння ректифікаційної установки
- 7.2 Оцінка енергоефективності ректифікаційної установки
- 7.3. Рекомпресія пари верхнього продукту
- 7.4 Рекомпресія пари нижнього продукту
- 7.4.1 Схема з механічною рекомпресією
- 7.4.2 Схема з паровим ежектором
- 7.4.3 Схема зі струменевим термокомпресором
- 7.5 Показники енергоефективності використання рекомпресії
- 7.6 Контрольні питання і завдання
- ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
ПЕРЕДМОВА
Одним із перспективних напрямів у сфері заощадження енергоресурсів як у рамках національної економіки, так і в межах енергоспоживання окремих підприємств є застосування теплонасосних систем.
Основна системна перевага теплових насосів у порівнянні з іншими теплоджерелами полягає в можливості використання у теплопостачанні потоків низькопотенційних вторинних енергоресурсів і природної теплоти. Перехід до теплонасосної технології утилізації вторинних енергоресурсів пов'язаний з певними капітальними витратами і тому вимагає виконання техніко-економічної оцінки очікуваних результатів.
В умовах функціонування досить активного ринку теплогенеруючого устаткування з широким спектром конструктивних рішень, режимних параметрів, опцій і цін необхідно сформувати комплексний підхід і певну базу знань для вибору раціональних рішень в області теплопостачання в будь-якому секторі економіки і побуту.
Методичною основою даного навчального посібника є навчальні програми дисциплін для фахівців і магістрів, що навчаються за спеціальностями «Енергетичний менеджмент», «Холодильні машини і установки», «Компресори, пневмоагрегати і вакуумна техніка» на інженерному факультеті Сумського державного університету.
Досвід викладання дисциплін, пов'язаних з вивченням техніко-розрахункової бази заощадження енергоресурсів у теплотехнічних системах і установках, показав, що між вивченням економіки як самостійної дисципліни і економічним аналізом термомеханічних систем існує повний розрив прямих і зворотних зв'язків.
Відповідно до техніко-економічного аналізу, що практикується економістами в навчальному процесі, спочатку фахівець повинен оптимізувати технічний пристрій або систему з позицією зниження питомих енерговитрат, підвищення продуктивності та ін., а потім виконується економічне зіставлення з аналізом за всіма категоріями фінансових витрат.
Змінити подібний підхід покликана термоекономіка, яка сполучає економічні і термодинамічні положення із самого початку і на будь-якому рівні проведення аналізу даної системи. Таким чином, головною метою даного навчального посібника є формування системного підходу для виконання комплексної оцінки енергоефективності при будь-якому поєднанні теплогенеруючого і теплотрансформаторного устаткування при проектуванні або реконструкції теплотехнічних систем.
Автором не ставилося завдання представлення у даній книзі докладних алгоритмів і рекомендацій для проектування теплонасосних систем.
Основний методичний акцент полягає в постійному зверненні до схематизації ексергетичних перетворень для різних теплотехнічних систем, що дозволяє оцінити їх енергоефективність у показниках сучасної прикладної термодинаміки.
Зважаючи на особливості сфери комунального теплопостачання для опалювальних цілей більшості регіонів України, в книзі значне місце приділяється питанням оптимізації бівалентних теплонасосних установок, які здатні підтримувати існуючі нормативи подачі і відведення теплоносія і не вимагають змін у системах розподілу теплового навантаження.
Книга призначена як навчальний посібник при вивченні ряду дисциплін варіативного циклу для вказаних вище спеціальностей, наприклад, «Енергозберігаючі теплотехнологічні установки», «Енергозбереження в теплотехнічних системах і установках», «Термоекономічні розрахунки енергоперетворюючих систем» та ін.
Автор виражає щиру вдячність і подяку рецензентам за зауваження і поради, висловлені ними при підготовці книги до видання, а також співробітникам кафедри технічної теплофізики Сумського державного університету за допомогу при оформленні тексту і графічного матеріалу.
ВСТУП
Для використання максимуму потенціалу теплових енергоресурсів необхідна реалізація когенераційного вироблення механічної роботи і теплоти, як це має місце при функціонуванні теплоелектроцентралей (ТЕЦ). Проте централізоване теплопостачання від ТЕЦ пов'язане із значними втратами теплоти при її транспортуванні до віддаленого споживача. Для зниження вказаних втрат доводиться використовувати велику кількість систем автономного теплопостачання, в яких у переважній більшості, ексергетичний потенціал спалюваного палива витрачається тільки на середньотемпературний нагрів теплоносія (50-100°C) без генерації механічної роботи.
Чим нижчий рівень нагріву теплоносія в автономному теплогенераторі, тим менше вимагається ексергії для реалізації цього нагріву. Проте при спалюванні палива відсутня бажана еквівалентність необхідного приросту ексергії для потоку нагріваючого середовища і потоку продуктів згорання через велику різницю температур між вказаними потоками.
Існує альтернативний спосіб теплопостачання, який припускає формування потоку гарячого теплоносія з мінімально необхідної кількості ексергії. Подібну ексергію можна відбирати з природних або скидних техногенних потоків теплоти з додаванням деякої частини додаткової ексергії від зовнішніх джерел, необхідної для компенсації витрат на реалізацію підвищуючої термотрансформації відповідно до другого закону термодинаміки. Подібний спосіб теплопостачання реалізується в пристроях, які називаються тепловими насосами.
Використання теплових насосів перспективне в комбінованих схемах при поєднанні з іншими технологіями використання поновлюваних джерел енергії - сонячною і геотермальною. Можливості і економічна доцільність застосування теплових насосів і установок залежать від кліматичних особливостей регіону, рівня розвитку паливно-енергетичного сектора, співвідношення цін на основні види палива і електроенергії та інших чинників.
Енергетична ефективність теплових насосів залежить від характеристик теплових джерел, що беруть участь в термотрансформації: від температурного рівня нагріву середовища споживача теплового навантаження і від температури надходження утилізованого низькопотенційного середовища.
Рівень нагріву середовища споживача теплоти залежить від цільового призначення теплопостачання, і найкращі технікоекономічні результати, як правило, відповідають застосуванню теплонасосних систем для побутового гарячого водопостачання.
Застосування теплових насосів для опалювальних цілей ефективно тільки для систем "м'якого режиму", наприклад, для повітряних або водяних систем підлогового опалювання. Адаптація теплових насосів до характеристик водяного батарейного опалювання для регіонів країни з середньозимовою температурою нижче мінус 2°C пов'язана з використанням бівалентних теплонасосних установок, в яких догрівання теплоносія забезпечується традиційними теплогенеруючими пристроями.
Можливість використання в теплопостачанні потоків низькопотенційних вторинних енергоресурсів значно розширює ресурсну базу теплопостачання, робить її менш залежною від постачань паливних ресурсів. Задіявши тепловий насос, що працює на джерелах природної теплоти (атмосферне повітря, природні води), ми немов умовно забезпечили системи теплопостачання паливним ресурсом на 15-20 років її роботи.
Утилізація низькопотенційної теплоти у промисловому виробництві може істотно підвищити ефективність енерговикористання. Особливо це стосується технологій, пов'язаних із споживанням парових потоків, таких, як випаровування, кристалізація, ректифікація і ін. Утилізація низькопотенційної теплоти систем оборотного водопостачання підприємств дозволяє істотно понизити витрату підживлюваної води за рахунок виключення відкритих пристроїв охолоджування (градирень, басейнів), зменшується загальне енергоспоживання подібних систем за рахунок виключення вентиляторів для градирень.
Необхідно відзначити раціональність використання електроенергії в теплонасосних системах теплопостачання. У тепловому насосі електроенергія, забезпечуючи необхідну термотрансформацію, одночасно реалізує як теплову, так і силову якість електроенергії, завдяки чому досягається економія первинного енергоресурсу. Електроенергія, що витрачається в тепловому насосі, заміщає високоякісне паливо для традиційних теплогенераторів, проте вказана економія енергоресурсу абсолютно не враховується при формуванні тарифу на електроенергію для теплових насосів.
У даний час велика увага приділяється енергоаудиту і реконструкції існуючих автономних систем теплопостачання на базі традиційної теплогенеруючої техніки. Аналіз стану подібних систем показує, що вони мають низьку технічну і економічну ефективність. Це є наслідком фізичного зносу морально застарілого водонагрівального котельного устаткування малої теплопродуктивності (400-700 кВт) з експлуатаційним к.к.д. 60-70%. Через відсутність необхідної водопідготовки знижується експлуатаційна надійність котлів, зростають витрати на ремонтно-відновлювальні роботи і підживлення теплових мереж внаслідок відкритого водорозбору. Для подібних систем собівартість вироблення теплоти достатньо висока і в 2-2,5 раза більша вартості витрачуваного палива.
У свою чергу, теплові насоси характеризуються високою вартістю капітальних витрат, що становлять від 200 до 500$ США за 1 кВт теплопродуктивності. Зважаючи на це, реалізація проектів теплопостачання із застосуванням теплонасосних систем вимагає їх техніко-економічного зіставлення з системами традиційного типу.
Ефективність кожної з систем, що зіставляються, залежить від багатьох чинників і при порівнянні необхідно враховувати не тільки показники енергоефективності, але і показники реального економічного ефекту. Подібний комплексний підхід закладений в методології термоекономічного аналізу, на базі якого можливо виконати порівняння показників різних систем теплопостачання з подальшим проведенням оптимізаційних розрахунків.
Використання термоекономіки (ексергоекономіки) і її категорій значно полегшує ухвалення рішення про доцільність застосування теплових насосів і дає можливість встановити межі пріоритету в порівнянні з іншими системами теплопостачання.
В Україні, що має обмежені запаси паливних ресурсів, застосування теплових насосів повинне розглядатися як один з пріоритетних напрямів енергозбереження. Ефективнішим є застосування теплонасосної техніки при комплексній інтеграції до структури теплопостачання міст і промислових районів. Масштаб застосування теплонасосних систем доцільно визначати ще на стадії перспективного планування або реконструкції нових або діючих об'єктів теплопостачання.
Системні переваги теплових насосів можна представити у вигляді таких узагальнень:
1. Парокомпресійні теплові насоси в порівнянні з котельними установками дозволяють максимально економити первинні високопотенційні енергоресурси. Залежно від коефіцієнта перетворення ця економія може становити 60 % і вище.
2. Виробництво електроенергії на електростанціях здійснюється за прогресивними технологіями найбільш ефективними способами, спрямованими на скорочення витрати палива, що створює сприятливі умови для впровадження теплонасосного устаткування в системах теплопостачання.
3. При використанні теплових насосів парокомпресійного типу забезпечується екологічна чистота навколишнього середовища.
4. Для теплонасосного теплопостачання відпадає необхідність у закупівлі, транспортуванні, зберіганні палива і витраті фінансових коштів, пов'язаних з цим.
Розділ 1. ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ УТИЛІЗАЦІЇ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ
1.1 Загальні відомості про вторинні енергоресурси
Однимі з найважливіших шляхів економії паливно-енергетичних ресурсів є використання вторинних енергетичних ресурсів (ВЕР), що неминуче виникають практично в будь-якому виробництві.
Під ВЕР розуміється хімічно зв'язана теплота, фізична теплота і потенціальна енергія надлишкового тиску продукції, відходів, побічних і проміжних продуктів, що утворюються в технологічних агрегатах (установках, процесах), які не використовуються в самому агрегаті, але можуть бути частково або повністю використані для енергопостачання інших агрегатів.
До категорії ВЕР можна також віднести гарячу нафту і попутний газ, що стискається, при нафтовидобутку та ін.
Використання ВЕР для енергоживлення агрегатів і процесів називається утилізацією ВЕР.
У даний час питання економії палива шляхом використання ВЕР перетворилися на актуальну проблему для України, зважаючи на низький рівень корисного використання енергії в технологічних процесах промислового виробництва країни, на частку якого припадає 65-70% споживаних енергоресурсів. Рисунок 1.1 ілюструє роль ВЕР загалом в енергобалансі країни і відповідно показує, що частка корисно використовуваної частини енергоресурсів у промисловості рівнозначна резерву ВЕР, і використання цього резерву дозволило б значно знизити загальне енергоспоживання.
Рисунок 1.1-Частка ВЕР у промисловому виробництві України
При оцінці доцільності утилізації ВЕР користуються їх класифікацією за двома основними ознаками:
- за цільовим призначенням;
- за температурним рівнем.
У свою чергу, за цільовим призначенням ВЕР поділяються на паливні, теплові і ВЕР надлишкового тиску.
Паливними ВЕР є горючі відходи технологічних процесів переробки вуглецевої і вуглеводневої сировини, непридатні для подальшої технологічної переробки, наприклад, відходи деревини, біогази, а також побічні горючі гази металургійних та інших виробництв (доменний і коксовий газ, горючі гази підприємств нафтової промисловості та ін.).
Теплові ВЕР можуть розглядатися як:
- фізична теплота газів, що відходять з технологічних агрегатів;
- фізична теплота гарячої води і пари, відпрацьованих у технологічних установках;
- попутне вироблення теплоти (у вигляді пари і гарячої води) в технологічних і енерготехнологічних агрегатах, де, необхідно зазначити, має місце найбільший ступінь утилізації порівняно з іншими джерелами ВЕР.
ВЕР надлишкового тиску називають потенціальну енергію газів і рідин, що залишають технологічний агрегат з надлишковим тиском, який необхідно понизити перед подальшим ступенем використання цих речовин або при викиді їх в атмосферу.
За температурним рівнем ВЕР поділяються на низькопотенціальні, середньопотенціальні і високопотенціальні.
ВЕР низького потенціалу мають температуру 0-70С. До них належать природні джерела теплоти (атмосферне повітря, ґрунт, водоймища, геотермальна вода) і виробничі джерела теплоти (водопровідна, технологічна і оборотна вода, каналізаційні стоки та ін.).
ВЕР середнього потенціалу характеризуються температурами 70-150С і, як правило, це відпрацьовані або скидні газові і парові потоки технологічних установок.
ВЕР високого потенціалу мають температури в діапазоні 150…400С, наприклад, продукти згорання газотурбінних двигунів, печей та ін.
Аналіз об'ємів генерації ВЕР за температурним рівнем показує гіперболічний характер даного зв'язку: чим нижче температура ВЕР, тим у великих кількостях вони генеруються, а, отже, пріоритет в утилізаційних проектах повинен відводитися низькопотенційним джерелом ВЕР.
1.2 Енергоаудитна схематизація систем з джерелами ВЕР
Основне місце у сфері промислового виробництва займають технологічні процеси, що вимагають енергетичних перетворень оброблюваних речовин (середовищ) за допомогою тепло-і масообміну.
Повний ланцюг пристроїв для теплоенергетичних перетворень включає кінцеві і проміжні елементи. До кінцевих елементів відноситимемо генератори теплоносія і пристрої скидання концентрованих потоків теплоти в навколишнє середовище. Проміжними елементами подібного ланцюга є теплотехнічне устаткування, що забезпечує реалізацію того чи іншого технологічного процесу. Проміжні елементи теплоенергетичних перетворень мають власні назви (теплообмінник, випарний апарат, калорифер і ін.), проте з метою спрощення опису складних технологічних схем і їх структуризації подібні пристрої надалі розглядатимемо під узагальненою назвою теплотехнічна установка (ТТУ).
Головною ознакою ТТУ є наявність транзиту через неї теплоносія або охолоджуючого середовища із оброблюваною або проміжною речовиною, що знаходяться в теплообмінному процесі. Поза сумнівом, що і кінцеві елементи (генератори, градирні) також є теплотехнічними установками, але функціональне призначення їх є чисто енергетичним: бути джерелом і стоком енергозабезпечення (енергоживлення) технологічного процесу.
Генератор теплоносія і ТТУ можуть бути конструктивно об'єднані в агрегат (печі, реактори, гранулятори) або функціонувати роздільно, будучи сполученими за допомогою розподільної теплової мережі, що може забезпечувати паралельним живленням декілька ТТУ. При використанні як нагріваючі теплоносії рідких або пароподібних середовищ розподільна теплова мережа містить поворотні лінії до генератора. Що стосується газоподібних теплоносіїв, то вони, як правило, не замикаються в циркуляційну систему.
Функціонування ТТУ з процесом охолоджування робочої речовини до кінцевих заданих температурних параметрів, наприклад, охолоджування повітря на компресорній станції перед подачею в мережу, забезпечується шляхом циркуляції холодоносія (вода, розчини) через дану ТТУ і пристрій скидання теплоти у навколишнє середовище. У разі застосування повітря або інертних газів для охолоджувальних цілей і за відсутності в потоках цих середовищ екологічних забруднень вони можуть безпосередньо скидатися в навколишнє середовище.
У більшості поширених технологій ще на стадії проектування передбачається рекуперація теплоти між різними ТТУ. Подібний підхід також відомий під назвою методу інтеграції нагріваючих і охолоджуваних потоків, метою якого є зведення до мінімуму потреби в генерації і в атмосферному скиданні теплоти. Для ТТУ, що функціонує в інтеграційному полі теплообміну, характерна відсутність безпосередніх експлуатаційних зв'язків з елементами генерації і скидання теплоти.
Цільовим призначенням ТТУ є виконання технологічної зміни термодинамічних параметрів робочої речовини, що задається (температури, тиску, концентрації).
У більшості випадків прагнуть робочу речовину, як і теплоносій, транспортувати через ТТУ у формі потоку. Якщо транзит робочої речовини не раціональний, то можна використовувати проміжний теплоносій або охолоджуюче середовище (повітря в системі кондиціонування приміщень, повітря в конвективних сушарках, азот у процесах десорбцій з адсорбентом і т.п.)
При використанні інтеграції потоків робоча речовина, нагріта або охолоджена в ТТУ, набуває функцій тепло- або холодоносія або для інших робочих речовин, або для власного середовища у рамках попереднього регенеративного теплообміну.
Викладена схематизація тепловикористовуючих технологічних систем дозволяє істотно спрощувати аналіз енергопотоків, а головне знаходити джерела теплових ВЕР і напрями рекуперації або трансформації утилізованих теплових потоків. Як приклад на рис. 1.2 наведена спрощена структурна схема ексергетичних перетворень в умовному процесі синтез-технології газоподібних речовин.
Дана схема містить генератор теплоносія (ТГ); три послідовно сполучені теплотехнічні установки: реактор (ТТУ 1), регенеративний теплообмінник (ТТУ 2), кінцевий охолоджувач продукту (ТТУ 3) і пристрій для теплового скидання в навколишнє середовище (ГР) - градирня.
У реакторі відбувається процес перетворення суміші речовин А і Б в кінцевий продукт із споживанням теплоти, що підводиться від теплогенератора. При синтезі вказаних речовин утворюється газовий потік, який через фільтр скидається в навколишнє середовище. Технологічний регламент виробництва даного продукту вимагає попереднього підігріву речовини Б перед її надходженням в реактор, що реалізується шляхом установки регенеративного теплообмінника. З огляду на те, що температура продукту після ТТУ 2 вища потрібного за нормами відвантаження (випуску), в схему включений кінцевий охолоджувач, в якому за рахунок циркуляції охолоджуючого середовища тепловий потік від продукту скидається в градирні (ГР) в навколишнє середовище.
Рисунок 1.2 - Структурна схема енергопотоків в умовному технологічному процесі:
ПАЛ - паливо; О - окиснювач; ТН - теплоносій; ЕЕ - електроенергія; ОХ - охолоджуюче середовище; ПЗ - продукти згорання; ГС - газове скидання; П - кінцевий продукт; Н - насос; КМ - компресор; ВТ - вентилятор
Аналіз розглядуваної схеми дозволяє визначити в ній джерела ВЕР. Такими є потік продуктів згорання палива на виході з теплогенератора, потік охолоджуючої води, через ТТУ 3 і скидання газу з ТТУ 1.
Вибір оптимального рішення щодо утилізації виявлених ВЕР вимагає проведення техніко-економічних розрахунків різних варіантів. Проте у більшості випадків головним напрямом утилізації ВЕР повинна бути економія первинних енергоресурсів у генеруючих елементах систем.
Неважко помітити, що навіть для попередніх розрахунків енергоефективості на основі утилізаційних рішень подібна схема повинна містити кількісну інформацію щодо режимних параметрів теплоносіїв і потоків ВЕР. Ці дані можуть бути отримані або за результатами енергоаудиту, або за вимогами технологічного регламенту розглядуваного виробництва.
На рисунку 1.3 наведена схема матеріальних і енергетичних потоків для реальної технічної системи - брагоректифікаційної установки (БРУ) виробництва етилового спирту. Дана схематизація передбачає графічне представлення тільки зовнішніх зв'язків бражної, епюраційної і ректифікаційної колон.
Відповідно до представленої схеми процеси отримання кінцевого продукту (ПР) з розділюваної суміші (браги Б) вимагають підведення робочої (котельної пари), яка генерується в парогенераторі (ПГ) з води природного водоймища, відкачуваної насосною станцією (НС) і нагрітої при проходженні її через конденсатори, дефлегматори і систему водопідготовки (СПВ). Основними потоками ВЕР для даної установки є:
· загальний потік охолоджуючої води, що скидається у водоймище;
· потік барди;
· потік лютерної води;
· потік продуктів згорання після парогенератора.
Рисунок 1.3 - Схема теплоенергетичних потоків брагоректифікаційної установки:
ПГ - парогенератор; СПВ - система підготовки води; НС - насосна станція; Г - газ; П - повітря; ПС - продукти згорання;
позначення індексів масової витрати G: П - пара; W - вода; Б - брага; R - барда; L - лютерна вода; ПР -продукт
Для розрахункової продуктивності БРУ 1000 декалитр/добу основні потоки характеризуються нижченаведеними даними:
· охолоджуюча вода: ;
· потік барди: ;
· потік матеріальної води:
;
потік продуктів згорання:
.
1.3 Оцінка теоретичного енергопотенціалу потоків ВЕР
1.3.1 Параметри оцінки
Температурний рівень джерела ВЕР сам по собі ще не визначає енергетичного потенціалу цього джерела, а лише позначає доцільну область використання ВЕР і можливу технологію утилізації.
Як випливає з прикладів у розділі 1.2, в будь-якій сукупності теплотехнічних установок можуть бути виявлені потоки скидання, тобто потоки середовищ, що вступають у безпосередню взаємодію з навколишнім середовищем.
Енергія, заключена в подібних потоках, може бути охарактеризована величиною теоретичного (теоретично максимально можливого) потенціалу, відповідного процесам енергообміну без зовнішньої і внутрішньої необоротності.
Для розрахунку енергії, заключеної в потоках скидання, необхідно мати енергоаудитні або регламентовані дані термічних і режимних параметрів.
До головних з них належать:
- тиск потоку скидання на виході з відповідної ТТУ, рск, Па;
- температура середовища даного потоку, Тск, К (оС);
- об'ємна витрата потоку за умовами скидання, Vск, м3/с.
У ряді випадків потоками скидання є потоки гетерогенних середовищ, у тому числі і багатокомпонентних і багатофазних, наприклад, повітря, що виходить із сушильної камери в атмосферу. Для подібних потоків скидання необхідні також дані щодо концентрацій компонентів або їх відносних величин, таких, як вологовміст, відносна вологість та ін.
Якщо має місце скидання середовища із значною швидкістю, то необхідні дані за заміряними або розрахунковими значеннями цієї величини, Wск.
З огляду на те, що максимальна зміна термічних параметрів стану середовища потоку скидання обмежена умовами оточуючого середовища, то в деяких випадках доводиться задаватися розрахунковими значеннями тиску і температури оточуючого середовища, ро.с , То.с, наприклад, ро.с=1 бар, То.с=300 К.
1.3.2 Загальне рівняння теоретичного потенціалу
Перехід потоку скидання у стан рівноваги з навколишнім середовищем характеризується багатоваріантністю можливих процесів [10, 22, 46]. У разі утилізації потоків ВЕР із застосуванням термомеханічних систем відбувається енергообмін із зовнішніми джерелами, тобто їм передається енергія у формі тепла, механічної роботи або в комбінації обох форм (когенерація).
Для оборотних процесів енергообміну між потоком середовища ВЕР і споживачем теплового і механічного навантаження у відкритій термомеханічній системі рівняння
I закону термодинаміки набуває вигляду
, (1.1)
де - теоретичний енергетичний потенціал потоку ВЕР, Вт;
теоретичні потоки теплоти і механічної роботи, що відводяться від потоку ВЕР за умов оборотності при енергообміні, Вт;
повні ентальпії стаціонарного потоку ВЕР, узяті за параметрами скидання (виходу з ТТУ) і навколишнього середовища, Вт
У свою чергу, повні ентальпії:
, (1.2)
,
де - масова витрата потоку скидання, кг/с;
- питома масова ентальпія, лінійна швидкість і геометрична висота потоку ВЕР за умовами скидання і навколишнього середовища.
При припущенні, що і , маємо
. (1.3)
Рівняння (1.3) використовується для визначення для будь-яких середовищ, якщо є дані табличних або діаграмних значень питомої ентальпії за відповідних умов.
У свою чергу, різниця розглядуваних ентальпій може бути представлена виразом
, (1.4)
де - ізобарна питома масова теплоємність, питомий об'єм і температурний коефіцієнт об'ємного розширення середовища потоку скидання.
Таким чином, для так званих «повільних» течій з незначними перепадами геодезичних висот (або їх нехтуванням) загальне рівняння теоретичного енергопотенціалу джерела ВЕР подається у вигляді
. (1.5)
Більшість середовищ потоків ВЕР за своїми термічними параметрами можуть бути віднесені до двох термодинамічних категорій: ідеальний газ і нестислива рідина.
Розглянемо окремі випадки використання рівняння 1.5 для оцінки енергопотенціалу вказаних категорій.
1.3.3 Потік ідеального газу
Для потоку скидання у межах параметрів, що задовольняють умови моделі ідеальногазового стану, рівняння (1.5) зводиться до вигляду
, (1.6)
де k - показник адіабати середовища потоку скидання.
Слід відмітити, що величини, які входять у рівняння (1.6), є основними енергоаудитними параметрами, що істотно спрощує оцінку енергопотенціалу, особливо для потоків із суміші ідеальних газів.
Дане рівняння також можна представити у формі, що використовується в пінч-технології або у ряді методик розрахунку теплообмінних апаратів
, (1.7)
де - потокова теплоємність потоку скидання, Вт/К;
максимально можлива різниця температур потоку скидання при відповідних його станах;
- середня ізобарна, питома, масова теплоємність середовища потоку скидання в інтервалі зміни термічних параметрів його стану.
Представлення теоретичного енергопотенціалу джерела ВЕР у вигляді рівняння (1.7) істотно спрощує графічну інтерпретацію даної функціональної залежності і дозволяє складати номограми, вигляд однієї з яких наведений на рисунку 1.4.
Рисунок 1.4 - Номограма для визначення теоретичного енергопотенціалу потоку ВЕР у межах ідеальногазового стану
При побудові даної номограми потокова теплоємність розглядається у вигляді лінійної функції від об'ємної витрати потоку скидання
. (1.8)
Діапазон кутового коефіцієнта лежить у межах 0,85-1,4, що відповідає умовам ідеальногазового стану для потоків газоподібних ВЕР, включаючи охолоджені димові гази з температурою 200-250С.
Для багатокомпонентних ідеальногазових сумішей розрахунок енергопотенціалу за рівнянням (1.6) вимагає визначення показника адіабати залежно від об'ємного (молярного) складу суміші:
(1.9)
де =8314 Дж/(мольК) - універсальна газова стала газової суміші;
- об'ємна (молярна) концентрація компонента газової суміші;
- молярна ізобарна теплоємність компонента газової суміші.
Для газових сумішей, що містять компоненти, які змінюють свій агрегатний стан при зміні температури від до (конденсація, десублімація), застосування рівнянь (1.6 - 1.9) є некоректним, і розрахунок теоретичного енергопотенціалу виконується за рівняннями (1.1 - 1.3).
Однією з подібних і найбільш поширених газових сумішей є вологе повітря як атмосферного складу, так і складу витяжних потоків вентиляції приміщень, сушильних установок, систем кондиціонування та ін. Для ВЕР даного типу на базі основних залежностей для вологого повітря [22] можна записати
, (1.10)
де ; (1.10а)
; (1.10б)
У цих рівняннях позначено , - відносна вологість і влаговміст повітря при параметрах скидання;
- питомий об'єм сухого повітря;
- парціальний тиск насиченої водяної пари при температурі скидання.
У рівнянні (1.10б) температура береться при С.
1.3.4 Потік нестисливої рідини
Для потоків скидання нестисливого середовища (вода системи оборотного водопостачання, конденсати та ін.) рівняння (1.5) набуває вигляду
, (1.11)
де , - питома масова теплоємність і щільність рідини, значення яких усереднені в діапазоні температур, що визначають величину ;
- максимально можливий перепад тиску при розширенні потоку скидання до стану навколишнього середовища.
Як правило, при аудиті енергоспоживання вимірюється не масова, а об'ємна витрата рідини і в цьому випадку рівняння (1.11) краще звести до вигляду
. (1.12)
Для потоків скидання нестисливих рідин співвідношення між і досить чітко визначає напрям утилізації, в основному це рекуперація або термотрансформація теплоти, і лише при високих значеннях реалізується рекуперація механічної роботи у гідродвигунах. Таким чином, величину можна розділити на термічну і механічну складові:
, (1.13)
, (1.13а)
. (1.13б)
Звідси співвідношення складових максимально можливого енергопотенціалу потоку рідкого середовища матиме вигляд
.
Для води при =10С рівність = буде припустимою при , тобто при тиску не маючих місця в реальних потоках ВЕР промислових технологій.
1.4 Ексергетичний потенціал стану потоку ВЕР
1.4.1 Основні рівняння
Одним з найбільш достовірних методів оцінки енергоефективності термодинамічних систем є ексергетичний аналіз процесів перетворення енергії, що відбуваються у подібних системах. Зіставлення різних варіантів утилізації ВЕР передбачає проведення техніко-економічних розрахунків. У багатьох випадках такі розрахунки істотно спрощуються, якщо використовуються параметри і підходи ексергетичного методу термодинамічного аналізу. Тому вже на стадії визначення максимально можливого потенціалу ВЕР бажано провести оцінку його ексергетичного змісту.
Вводячи поняття теоретичного енергопотенціалу ВЕР, ми обмежували можливе перетворення застосовуваної енергії рамками параметрів навколишнього середовища. Відповідно до загальних положень поняття ексергії [9, 55] будь-який матеріальний потік за умов навколишнього середовища характеризуються нульовим значенням ексергії.
Таким чином, загальне рівняння теоретичного ексергетичного потенціалу стану потоку ВЕР запишеться у вигляді
,
або
,
де еск - питома ексергія середовища потоку ВЕР, визначувана за параметрами стану рск і Тск, Дж/кг.
У загальному випадку для визначення питомої ексергії потоку речовини необхідно проінтегрувати таке диференціальне рівняння у межах е(ро.с.,То.с.)=0 і е(р,Т).
. (1.14)
У доступнішій формі розв'язання рівняння (1.14) при припущенні, що , , має вигляд
(1.15)
де h=h(p,T), s=s(p,T) - питомі ентальпії і ентропії середовища потоку, узяті за відповідними параметрами тиску і температури.
Використовуючи рівняння (1.15) для двох станів, можна визначити зміну питомої ексергії у вигляді
. (1.15а)
Для умов скидання рск і Тск;
. (1.15б)
І після підстановки в (1.13а)
. (1.16)
Використовуючи рівняння (1.3) при wск=wо.с, отримаємо загальний зв'язок між загальним енергетичним потенціалом і його ексергетичною формою для процесів з ідеальним енергообміном.
, (1.17)
де - зміна повної ентропії системи при оборотній взаємодії з навколишнім середовищем.
Рівняння (1.17) показує, що тільки при енергообміні з процесами s=const максимально можливий енергетичний потенціал дорівнює його енергетичному змісту.
Головним висновком при зіставленні і є визначення частки від загального енергопотенціалу, оскільки через визначення поняття ексергії . енергоефективність насос теплопостачання
Для розрахунку величин за рівняннями (1.15-1.17), як правило, використовують термодинамічні діаграми або таблиці.
Для ідеального газу і нестисливої рідини інтегрування рівняння (1.14) істотно спрощується, і теоретично максимально можливий ексергетичний потенціал може бути виражений через термічні параметри стану р,Т , які на відміну від калоричних можуть бути виміряні.
1.4.2 Потік ідеального газу
Підставимо у рівняння (1.14) нижченаведені вирази, що задовольняють термодинамічни співвідношення для ідеальногазового стану середовища потоку ВЕР:
ср(Т,р)=срm
,звідки ,
.
У результаті рівняння (1.14) набуває вигляду
. (1.18)
Після інтегрування у межах станів р,Т і ро.с, То.с отримаємо
. (1.19)
Для параметрів скидання
. (1.20)
Різниця питомих ексергій для процесу 1-2
. (1.21)
Рівняння (1.19-1.21) для зручності використання зведемо до безрозмірного вигляду з урахуванням
і, вводячи безрозмірні величини,
;
;
;
; ;
; (1.22)
; (1.23)
; (1.23а)
. (1.23б)
Використовуючи отримані рівняння для еск потоку газу, запишемо рівняння для ексергетичного потенціалу
. (1.24)
У деяких випадках при проведенні оцінки ексергетичного потенціалу потоку ВЕР розглядають величину питомої ексергії у вигляді суми термічної і механічної складових.
Для потоку ідеального газу
, (1.25)
де (1.25а)
є ексергетичною температурною функцією, усередненою в межах температур Т і То.с.
При використанні безрозмірних величин
, (1.26)
. (1.26а)
Зведені рівняння для еск і дозволяють, як і у разі оцінки енергетичного потенціалу, будувати номограми для зручності розрахунків за результатами вимірювання параметрів скидання потоку ВЕР.
1.4.3 Потік нестисливої рідини
Для подібного середовища маємо;, оскільки сonst; на підставі чого рівняння (1.14) зводиться до вигляду
. (1.27)
Інтегрування у межах станів р,Т і ро.с, То.с дає
, (1.28)
де індекс f позначає належність величин до нестисливої рідини.
Відповідно для параметрів скидання
. (1.29)
На підставі рівняння (1.13а) отримаємо
, (1.30)
де ; .
Використовуючи рівняння (1.11), для потоку нестисливої рідини можна записати
, (1.31)
або
. (1.31а)
Досить часто при розрахунках використовується різниця питомих ексергій, наприклад, при переході із стану 1 у стан 2. У цьому випадку
. (1.32)
1.4.4 Потік паливних ВЕР
Для розрахунку ексергетичного потенціалу паливних ВЕР можна використовувати рівняння, за якими визначається ексергія використаного палива, а саме:
, (1.33)
, (1.34)
де - ексергія потоку палива твердого або рідкого стану:
- ексергія потоку газоподібного палива;
- масова витрата твердого або рідкого палива;
- об'ємна витрата газоподібного палива, розрахована за нормальними умовами для термічних параметрів;
- вища теплотворна здатність твердого або рідкого палива, узята за робочою масою;
- нижча теплота згорання газоподібного палива, узята за сухою масою;
, - коефіцієнт кореляції питомої ексергії для твердого і рідкого палива і паливного газу.
Коефіцієнт для розрахунків можна брати при таких значеннях: газ - 0,95; вугілля - 1,08; рідке паливо - 0,975.
Точне аналітичне визначення і за компонентним складом палива неможливе, оскільки останній не відображає структури органічних сполук, що утворюють горючу масу. Тому для газоподібних палив користуються табличними значеннями за результатами калориметрування, а для твердого і рідкого палива також використовуються таблиці, але для нижчої теплоти згорання .
Зв'язок між вищою і нижчою теплотою згорання палива виражається формулою:
, (1.35)
де - процентний вміст водню у робочій масі твердого або рідкого палива;
- процентний вміст вологи у робочій масі твердого або рідкого палива.
З рівнянь (1.33) і (1.34) також впливає, що між енергетичним і ексергетичним потенціалом паливних ВЕР існує досить простий зв'язок через коефіцієнт ;
, (1.36)
. (1.37)
1.4.5 Тепловий потік ВЕР
Ексергія теплового потоку у процесі 1-2 записується рівнянням
, (1.38)
де - зміна повної ентропії у процесі теплообміну.
Після відповідних перетворень рівняння (1.38) набуває вигляду
(1.39)
де - температурний чинник Карно (ексергетична температурна функція).
. (1.40)
Тут - середня температура процесу теплообміну.
Для процесів теплообміну між середовищами із змінними значеннями температури необхідно переважно оперувати ексергією потоку речовини, а не ексергією теплового потоку.
1.5 Вибір напряму утилізації ВЕР
У рамках завдань щодо підвищення енергоефективності технологічного процесу або виробництва певної продукції у цілому, після проведення енергоаудиту і виявлення джерел ВЕР і аналізу їх максимально можливого потенціалу розпочинають реалізацію наступного етапу, що включає вибір і обґрунтування проекту утилізації.
Необхідно відзначити, що питання утилізації паливних ВЕР мають специфічні особливості і в рамках даного посібника не розглядаються. Що стосується теплових і ВЕР надлишкового тиску, то вони у більшості випадків скидаються з теплотехнічних установок у вигляді одного енергетичного потоку, а їх часткове співвідношення легко визначається при оцінці максимально можливого потенціалу. Наведена нижче табл. 1.1. класифікації схем утилізації вказаних ВЕР дозволяє за цільовим призначенням провести вибір тієї чи іншої схеми.
Таблиця 1.1 - Класифікація схем утилізації вказаних ВЕР
|
Класифі-каційний чинник |
Найменування |
||||||
|
Тип ВЕР |
Теплові і надлишкового тиску |
Теплові і надлишкового тиску |
|||||
|
Тип схеми утилізації |
Рекупераційна |
Підвищуюча термотрансформаторна |
|||||
|
Цільове призна-чення утилізації |
Рекупера-ція теплоти |
Генерація механічної роботи або електро-енергії |
Когенера-ція(тепло+ механічна робота) |
Нагрів середови-ща спожива-ча вище Тск |
Охолодження сере-довища спожива-ча нижче То.с |
Комбіну-вання охолодже-ння і нагріву |
|
|
Тип обладнан-ня утиліза-ційної установки |
Поверхне-ві і змішуваль-ні тепло-обмінні апарати |
Газороз-ширюваль-ні машини (детандер-ри), паротур-бінні установки |
Будь-які типи, вказані для роздільної рекупера-ції |
Теплові насоси пароком-пресійно-го типу Струмин-ні термокомпресори |
Парое-жекторні холодиль-ні машини |
Будь-які типи, вказані для роздільної термо-транс-формації |
|
|
Контактні регенерато-ри |
Гідро-двигуни |
Сорбційні теплові насоси |
Сорбційні холодиль-ні машини |
||||
|
Теплові труби |
Термо-електричні генератори |
Термое-лектричні теплові насоси |
Вихрові холодиль-ні машини |
Із поданої таблиці випливає, що всі схеми утилізації розглядуваних ВЕР діляться на два типи: рекупераційні і підвищуючи термотрансформаторні. Головною відмінною ознакою подібного поділу є напрям енергообміну: мимовільність у рекупераційній схемі і наявність компенсаційних енерговитрат для перенесення теплоти утилізованого середовища на вищий температурний рівень у підвищуючій термотрансформаторній схемі. Умовна графічна інтерпретація викладеного поділу утилізаційних схем наведена на рис. 1.5.
Рисунок. 1.5. - Характер енергообміну в установках утилізації ВЕР: а - схема рекуперації; б - термотрансформаторна схема
Як випливає з даного рисунка, у рекупераційних схемах від потоку ВЕР (утилізаційне середовище) середовищу споживача передається тепловий потік або об'єкту споживання роботи - потужність N . Що стосується термотрансформаторних схем, то середовище споживача отримує сумарні потоки енергії або залежно від типу компресії у тепловому насосі. Наведене на схемі позначення представляє тепловий потік (стік), який скидається у навколишнє середовище і практично не використовуваний для утилізації.
Енергетичне джерело компенсації, необхідне для підвищуючої термотрансформації, необов'язково повинно бути елементом зовнішнім і незалежним від потоку утилізаційного середовища, як це показано на рис.1.5. У цілому ряді так званих тепловикористовуючих термотрансформаторів названу компенсацію забезпечує енергетичний потенціал безпосередньо самого утилізаційного потоку з додаванням незначної кількості механічної роботи від зовнішніх джерел для забезпечення насосної циркуляції, рис.1.6.
Рисунок. 1.6 - Термотрансформаторні схеми утилізації теплових ВЕР:
а - із застосуванням абсорбційного теплового насоса понижуючого типу; б - із застосуванням холодильних машин абсорбційного або пароежекторного типу
За рекупераційною схемою утилізація теплоти скидного потоку супроводжується зміною температури середовища, що сприймає теплове навантаження, при цьому завжди дотримується умова ТУТС . Для термотрансформаторних схем співвідношення температур утилізаційного середовища і середовища споживача, як показано на рис. 1.5,1.6, залежить від цільового призначення утилізації і використовуваного устаткування і відповідно може бути будь-яким у межах . Наведена на рис.1.6 величина відповідає тепловому потоку, що відводиться від середовища споживача для охолоджування.
Основним критерієм, використовуваним при застосуванні того або іншого схемного рішення для утилізації теплових ВЕР, є рівень температури скидного потоку. Так, наприклад, рекуперація тепла не має практичного сенсу для утилізації низькотемпературних ВЕР або природних джерел, коли ТскТо.с. Поза сумнівом, що для таких джерел кращим варіантом утилізації буде застосування підвищуючої термотрансформації теплоти.
Для середньопотенціальних теплових ВЕР можливе застосування схеми як рекупераційної, так і термотрансформаторної утилізації. Проте реально застосування термотрансформації для даних ВЕР практично обмежене унаслідок відсутності відповідних високотемпературних робочих речовин для парокомпресійних теплових насосів. Деякі перспективи пов'язують з розробленням і застосуванням для підвищуючої термотрансформації нових рішень в галузі абсорбційно-резорбційних і гібридних теплонасосних установок [32, 66] і струменевої термокомпресії [16, 17].
Що стосується використання даних ВЕР у рекупераційних схемах, то подібне утилізаційне рішення найбільше поширене в техніці. Розрахунки за цими схемами давно оптимізовані і викладені у багатьох інформаційних джерелах з теплообмінних апаратів, наприклад, [18, 36, 40, 54].
Значна увага завжди приділялася утилізації високопотенціальних теплових ВЕР. Через великий перепад між температурами скидного потоку і навколишнього середовища утилізація таких ВЕР виконується тільки за рекупераційною схемою. У найбільш ефективних варіантах утилізації потенціал подібних ВЕР дозволяє отримати теплоту на різних рівнях температур, а головне механічну роботу або електроенергію як роздільно, так і в когенераційних установках [21, 35, 40].
Якщо ВЕР надлишкового тиску мають низький температурний рівень, то вони можуть використовуватися як в рекупераційних схемах утилізації, так і в термотрансформаторних. Як приклад можна навести утилізацію надлишкового тиску природного газу на газопереробних станціях (рекупераційна схема) або використання скидних потоків стисненого газу для генерації холоду на основі вихрового ефекту розділення (термотрансформаторна схема) [1, 11].
1.6 Термодинамічний аналіз систем з утилізацією ВЕР
1.6.1 Формалізація схем ексергетичних перетворень
Наявність джерел ВЕР і споживачів утилізованої енергії служить базою для пошуку оптимальних проектів енергозбереження у даній технології. Будь-яка оптимізація пов'язана з проведенням порівняльного аналізу техніко-економічних показників стосовно базового безутилізаційного варіанта. Кращим буде проект, в якому досягаються максимальна утилізація ВЕР і мінімальні капітальні витрати. Подібна порівняльна оцінка енергоефективності істотно спрощується, якщо вона базується на використанні переваги оперування ексергетичними категоріями. Ексергетичний аналіз функціонування технологічних систем дозволяє однозначно виражати і ранжирувати в них різнорідні і різнопотенціальні енергетичні потоки. Для ряду технологій розроблені термоекономічні методи, в яких на основі ексергетичного підходу можна проводити оптимізацію енергозберігаючих рішень з використанням термодинамічних і вартісних показників [25, 47].
Не зважаючи на велику кількість технологічних систем з генерацією ВЕР і їх принципову відмінність, існують загальні підходи у схематизації енергоперетворень, зокрема пов'язаних і з утилізацією. Подібна схематизація передбачає виділення частин що цікавить, зі всієї системи; максимально можливе спрощення або узагальнення вхідних проміжних і вихідних енергопотоків; представлення величин, що характеризують енергетичний рівень тільки в ексергетичній формі. При такому підході правильно складена схема відображає ексергетичний баланс даної системи або окремої її частини.
Звернемося тепер до прикладів складання подібних схем для систем, що містять включаючих теплотехнічну установку з генерацією ВЕР і установку для їх утилізації, але без урахування ексергетичних потоків зведених витрат (ексергії - нетто) [3, 4].
На рис.1.7 наведена схема ексергетичних перетворень для умов теплотехнічної установки з утилізацією скидного потоку за рекупераційною схемою.
Рисунок 1.7 - Схема ексергетичних перетворень при утилізації ВЕР з рекуперацією теплоти і роботи
Відповідно до даної схеми теплотехнічна установка (ТТУ) отримує від зовнішніх джерел ексергетичні потоки , , для реалізації цільового призначення установки (нагрів, випарювання, сушіння та ін.). У результаті ексергетичних перетворень відбувається зміна ексергії транзитного потоку 1 до рівня на вході , а потоку 2 - до . При цьому потік 1 на виході з установки скидається в навколишнє середовище і може бути віднесений до категорії теплових ВЕР. Функціонування установки супроводжується дисипацією ексергії, що представлене у вигляді умовного потоку деструкції, і втрат, ексергії для даної ТТУ.
При агрегатуванні ТТУ з утилізаційною установкою (УУ) ексергетичний потенціал потоку скидання з певною деструкцією і втратами створить приріст ексергії середовища споживача у формі рекуперованої теплоти, і генерує механічну роботу NУ, , передавану об'єкту споживача цієї роботи. Таким чином, представлена на схемі рис.1.7 утилізаційна установка є когенераційною.
...Подобные документы
Аналіз стану та рівня енергоспоживання в теплогосподарствах України. Енергетичний бенчмаркінг як засіб комплексного розв’язку задач енергозбереження, його функції в системах теплопостачання. Опис структури показників енергоефективності котелень та котлів.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 13.07.2014Стан та аналіз енергоспоживання та енергозбереження на об’єктах гірничо-металургійного комплексу (ГМК). Порівняльна характеристика енергоємності продукції з світовими стандартами. Енергоефективність використання паливно-енергетичних ресурсів ГМК України.
реферат [91,5 K], добавлен 30.04.2010Вдосконалення систем опалення. Організація обліку й контролю з використання енергоносіїв. Аналіз досвіду застосування систем опалення іноземними державами. Головні умови раціонального застосування теплонасосних установок. Регулювання в системах опалення.
практическая работа [33,7 K], добавлен 31.10.2012Енергетична політика України, проблеми енергозбереження. Характеристика електроприймачів: розрахунок навантажень; компенсація реактивної потужності; вибір силових трансформаторів. Розрахунок струмів короткого замикання. Обґрунтування систем захисту.
курсовая работа [785,7 K], добавлен 20.05.2014Обґрунтування можливих варіантів теплопостачання для теплоелектроцентралі. Проведення вибору оптимального обладнання для повного забезпечення в теплі району м. Львів. Розрахунок та порівняння основних техніко-економічних показників ТЕЦ та котельні.
контрольная работа [129,5 K], добавлен 31.07.2011Серед видів люмінесцентного аналізу виділяють методи кількісного аналізу, якісного аналізу та люмінесцентну мікроскопію. Методи люмінесцентного аналізу знайшли застосування при проведенні досліджень в медицині, в криміналістичному аналізі, дефектоскопії.
реферат [803,9 K], добавлен 24.06.2008Перелік побутових приміщень ливарного цеху. Розробка елементів системи водяного опалення та теплопостачання. Визначення джерела теплоти для теплопостачання об'єкту. Тепловий розрахунок котельного агрегату. Аналіз технологічного процесу обробки рідини.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 24.01.2015Знайомство з основними елементами системи централізованого теплопостачання: джерело тепла, теплова мережа, споживачі. Загальна характеристика температурного графіку регулювання відпущення тепла споживачами. Етапи розробки плану мереж та монтажної схеми.
курсовая работа [556,2 K], добавлен 01.10.2013Теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій. Системи опалення будинків, їх порівняльна характеристика, визначення переваг і недоліків. Вентиляція приміщень та теплопостачання повітронагрівачів. Схеми теплопостачання громадської будівлі.
дипломная работа [702,8 K], добавлен 13.09.2014Шляхи реалізації енергозбереження засобами промислового електроприводу. Структурна схема частотного перетворювача. Економія електроенергії за рахунок переходу на ефективні джерела світла. Головні переваги використання компактних люмінесцентних ламп.
реферат [939,7 K], добавлен 31.10.2012Загальні вимоги до систем сонячного теплопостачання. Принципи використання сонячної енегрії. Двоконтурна система з циркуляцією теплоносія. Схема роботи напівпровідникового кремнієвого фотоелемента. Розвиток альтернативних джерел енергії в Україні.
реферат [738,1 K], добавлен 02.08.2012Водогрійна та парова частина котельної установки. Система підживлення і водопідготовка, система теплопостачання котельні. Аналіз роботи теплової схеми пароводогрійної котельні. Розрахунок теплової схеми. Техніко-економічні показники роботи котельні.
курсовая работа [663,9 K], добавлен 08.05.2019Розгляд задачі підвищення енергоефективності з позицій енергетичного бенчмаркетингу. Особливості використання методів ранжування за допомогою правил Борда, Кондорсе і Копеланда з метою виявлення кращих зразків енергоефективності котелень підприємства.
магистерская работа [882,1 K], добавлен 24.08.2014Розрахунок енергетичних характеристик і техніко-економічних показників системи сонячного теплопостачання для нагріву гарячої води. Схема приєднання сонячного колектора до бака-акумулятора. Визначення оптимальної площі поверхні теплообмінника геліоконтури.
контрольная работа [352,2 K], добавлен 29.04.2013Розрахунок витрати теплоти. Вибір теплоносія, його параметрів. Схеми теплопостачання і приєднання. Розрахунок теплової мережі. Графік тисків у водяних теплових мережах, компенсація втрат в насосній установці. Таблиця товщин теплової ізоляції трубопроводу.
курсовая работа [750,3 K], добавлен 02.01.2014Історія виникнення фотометричних методів. Класифікація методів за способом трансформування поглиненої енергії. Основні закономірності світлопоглинання. Методика визначення концентрації речовини в розчині. Устаткування для фотометричних вимірів.
реферат [27,1 K], добавлен 12.05.2009Характеристика світового ринку енергоресурсів. Нестабільність світових енергетичних ринків, яка посилюється спадом у світовій економіці. Місце енергетичного фактору у міжнародних відносинах. Вирішення проблем нафтової, вугільної та ядерної енергетики.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 05.06.2011Актуальність проблеми холодного ядерного синтезу, вартість проекту ITER, ціна установки Росії потужністю 1МВт. Опис установки, її основні елементи, теплові характеристики. Енергетичний вихід, споживання 3 кВт під час початкового нагрівання та віддача.
презентация [1,3 M], добавлен 07.08.2013Потенціал та впровадження біогазових установок в Україні. Розрахунки параметрів опалювально-вентиляційної установки й енерговитрат на теплопостачання тваринницької ферми. Розрахунок витрат теплоти на гаряче водопостачання тваринницького приміщення.
курсовая работа [8,2 M], добавлен 17.05.2019Впровадження автоматизації в котельних установках та оцінка його економічного ефекту. Основні напрямки автоматизації систем теплопостачання. Характеристика БАУ-ТП-1 "Альфа", його функціональні особливості, принцип роботи та основні елементи пристрою.
реферат [1,4 M], добавлен 05.01.2011
