CC BY
50
диально-осевыетурбины, выносные малотоксичные камеры сгорания, газодинамические подшипники, высокооборотные электрогенераторы с преобразователями позволили создать малогабаритную ГТУ, не имеющую аналогов в России и по некоторым показателям превышающую ГТУ малой мощности фирм Honeywell, Elliott, Capstone (США), атакжеТигЬес (Volvo Aero, Швеция).
3. Созданы технологическая (НТЦ "Микротурбинные технологии") и экспериментальная (СПбГПУ, НТЦ "Микротурбинные технологии", ЦКТИ им. Ползунова) базы, позволяющие в короткие сроки изготавливать и проводить экспериментальные, доводочные и сдаточные испытания основных узлов, деталей и ГТУ в целом с высокой точностью и достоверностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Performance and Durability of High Temperature Foil Air Bearings for Oil |Текст] / NASA // Free Turbomachimery. TM-2000-209187. 2000.
2. Беседин, C.H. Автономные газотурбинные установки малой мощности [Текст] / С.Н. Беседин // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2009. № 4-1(89).
3. Беседин С.Н. Автономные источники электрической и тепловой энергии [Текст] / С.Н. Бе-
седин, Н.А. Забелин, С.Ю. Олейников [и др.] // Труды союза изобретателей,— 2010,— N° 1.
4. Беседин, С.Н., Расчетно-экспериментальное исследование малотоксичной камеры сгорания для газотурбинной установки малой мощности [Электронный ресурс] / С.Н. Беседин, В.А. Асосков, Г.А. Фокин // Электронный журнал "Исследовано в России", 2010,— 002, стр.30-37. г. Ь«р://21шгпа1. ape.relarn.ru/articles /20107002.pdf
УДК621.1.016.4
В.М. Боровков, C.B. Скулин
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПУНКТА НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Современный индивидуальный тепловой пункт — это комплекс устройств для присоединения внутренних инженерных сетей здания к наружным тепловым сетям. Кего главным задачам относятся преобразование и тонкое регулирование параметров теплоносителя, экономичное распределение тепла по системам теплопотребления и защита систем от аварийного повышения параметров теплоносителя.
В современных индивидуальных тепловых пунктах (ИТП) применяются передовые автоматические системы управления (АСУ), обеспечивающие полноценное регулирование тепловой нагрузки теплопотребляющих систем. Причем сегодня задача энергосбережения в индивидуальных тепловых пунктах решается только АСУ и теплоизоляцией оборудования ИТП.
Цель предлагаемой вниманию статьи — показать скрытый резерв экономии топлива с по-
мощью эксергетического анализа тепловой схемы ИТП. Рассмотрены виды эксергетических потерь ИТП, которые в числе прочих факторов влияют на перерасход топлива [1] на теплоисточнике. Проведен анализ возможностей снижения эксергетических потерь.
В качестве примера рассмотрим реальный объект капитального строительства — дошкольное образовательное учреждение (ДОУ) на 190 детей в Санкт-Петербурге. Проект индивидуального теплового пункта выполнен согласно техническим условиям присоединения к сетям централизованного теплоснабжения на температурный график 150—70 °С при расчетной температуре наружного воздуха -26 °С. Срезки графика, также согласно техническим условиям, не предусмотрены.
Проектная тепловая схема индивидуального теплового пункта изображена на рис. 1.
вентиляции
Рис. 1. Проектная тепловая схема ИТП (теплообменники: 1 — радиаторного отопления; 2 — напольного отопления; 3 — ГВС; 4 — бассейна)
Системы радиаторного и напольного отопления, а также ГВС и бассейна подключены по независимой схеме, все теплообменники включены параллельно. Температурные графики систем радиаторного отопления и вентиляции — пого-дозависимые. Температурные графики напольного отопления, ГВС и бассейна от погоды не зависят. Нагрузки ГВС и бассейна варьируются от максимальных в часы работы ДОУ до минимальных в нерабочее время.
Температурные графики и тепловые нагрузки меняются непрерывно в широком диапазоне, и анализ эксергетических потерь при различных условиях будет давать различные результаты.
Для анализа резерва снижения эксергетических потерь остановимся на параметрах ИТП при средней температуре отопительного периода и со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения; к ним относятся:
средняя температура отопительного периода Гос = -18°С;
температура теплоносителя в тепловой сети 85-52 °С;
температура теплоносителя систем отопления и вентиляции 59,5—48 °С.
Тепловые нагрузки инженерных систем, ккал/ч, при средней температуре отопительного периода — 1,8 °С следующие:
Радиаторное отопление............................... 116020
Напольное отопление....................................35700
ГВС (сред, час)...............................................54050
Вентиляция ....................................................71000
Технологические нужды................................ 15300
Эксергетический анализ проектной тепловой схемы ИТП
Рассмотрим работу индивидуального теплового пункта с позиций термодинамики. Тепловая схема ИТП включает несколько рекуператоров и смесительныйузел, предназначенные для повышения эксергии теплоносителя контура нагревания за счет понижения эксергии теплоносителя греющего контура.
Для пластинчатых теплообменников и смесительных узлов характерны следующие виды эксергетических потерь: от конечной разности температур; от гидравлических сопротивлений; от теплообмена с окружающей средой; вызванные теплопроводностью вдоль поверхности теплообмена (только для теплообменников).
Для определения всех видов эксергетических потерь найдем среднетермодинамические параметры (табл. 1) процессов теплопередачи: сред-нетермодинамическую температуру Ти эксерге-тическую температуру те:
5*1 — Л
те=1~Тос/Т.
(1)
(2)
Та б л и ц а 1
Среднетермодинамические температуры процессов теплообмена
Теплообменник / смесительный узел Температура по шкале Кельвина, К Температура по эксергетической шкале, °Е
Т Ф Т натр Тп> т натр
радиаторного отопления 341,42 327,12 0,2052 0,1705
напольного отопления 341,42 306,94 0,2052 0,1160
ГВС 341,42 304,79 0,2052 0,1097
вентиляции 341,42 327,12 0,2052 0,1705
технологических нужд бассейна 341,43 291,37 0,2053 0,0687
Потери эксергии от теплообмена при конечной разности температур. Первый вид эксерге-тических потерь определяется по формуле
-Е* =С вЧев-Св9в =
^9те=<29те . (3)
Потери эксергии в теплообменниках и смесительных узлах составят:
ДРадот = 116020 (0,2052-0,1705) =
= 4029,7 ккал/ч = 16,87 МДж/ч;
/),^апот =35700(0,2052-0,1160) =
= 3186,8 ккал/ч = 13,34 МДж/ч;
= 5405о (0,2052-0,1097) =
=
Д|ент = 71000 (0,2052 -0,1705) =
= 2466,0 ккал/ч = 10,32 МДж/ч;
^т.н.басс =то0 ^053-0,0687) =
= 2089,0 ккал/ч = 8,75 МДж/ч.
Суммарная потеря эксергии от конечной разности температур в ИТП
¿>ИТП = драд от + вшш от + ^ГВС + ^вент + дт.н.басс =
= 16934,26 ккал/ч = 70,9 МДж/ч.
Потери эксергии от гидравлических сопротивлений. Процессы нагревания и охлаждения теплоносителей в ИТП близки к изобарным. Потеря эксергии от гидравлических сопротивлений в теплообменниках и смесительных узлах ИТП незначительна и определяется по формуле
и и
где каждый член уравнения представляет собой величину работы нагнетательного устройства. В связи с малым гидравлическим сопротивлением подобранных пластинчатых теплообменников потери эксергии от гидравлических сопротивлений незначительны:
^адот= 199,26 кДж/ч; ¿>;апот =59,18 кДж/ч;
£™с=5,26 кДж/ч; =
=
Гораздо больший вклад в снижение эксергии от гидравлических сопротивлений вносит автоматическая регулирующая арматура: двухходовые и трехходовые клапаны. Это видно, например, по величине эксергетической потери в смесительных узлах систем вентиляции.
Сумма потерь эксергии от гидравлических сопротивлений ИТП (включая основную регулирующую арматуру) составляет =
Потери от теплообмена с окружающей средой.
Третий вид потерь также вносит незначительный вклад благодаря современной теплоизоляции трубопроводов и теплообменников.
Следует отметить, что снижение этого вида потерь повышает эффективность системы теп-лопотребления только в том случае, когда тепловыделения оборудования превышают теплопоте-ри помещения ИТП.
Поток эксергии, отводимый с поверхности теплоизолированного оборудования в помещение ИТП, определяется как
Вп=ОЛV (5)
Для определения максимально возможного теплового потока, отводимого в помещение с теплоизолированного оборудования и трубопроводов, была принята нормативная температура поверхности +35 "С по СП 41-101-95 "Проектирование тепловых пунктов" и температура воздуха в помещении +5 °С.
дитп =6,9 МДж/ч-0,162°£ = 1,12 МДж/ч.
Потери, вызванные теплопроводностью вдоль поверхности теплообмена. Четвертый вид эксергетических потерь — потери от продольной теплопроводности — характерен для всех теплообменников, у которых наблюдается изменение температуры теплоносителей вдоль поверхностей [1]. Однако в пластинчатых теплообменниках потери от продольной теплопроводности сведены к минимуму благодаря применению тонких пластин. Например, в теплообменнике системы радиаторного отопления угол между поверхностью пластины (условно считаем пластину плоской) и изотермическими поверхностями составляет от 0,51 до 1,10 Вектор теплового потока направлен подуглом от88,90 до 89,49 ° кповерх-ности пластины. А это значит, что при толщине пластины 0,5 мм перепад температур в направлении, перпендикулярном изотермам, больше перепада температур в направлении, перпендикулярном поверхности пластины, всего лишь на 4,35-Ю-4 К. Поэтому потери, вызванные теплопроводностью вдоль поверхности теплообмена, не вносят какого-либо заметного вклада в суммарную величину эксергетических потерь.
Следует отметить, что данный вид потерь может достигать значительных величин в теплообменниках с малой разностью температур греющей и нагреваемой среды и с толстой стенкой поверхности теплообмена.
Для современных ИТП, оборудованных пластинчатыми теплообменниками, это нехарактерно, поэтому дальнейший анализ потерь от продольной теплопроводности не представляет практического интереса.
Итак, суммарные эксергетические потери индивидуального теплового пункта при средних за отопительный период тепловых нагрузках составят
В = ВТ +Вр+Вп =70,90 + 2,23 + 1,12 =
= 74,25 МДж/ч,
что соответствует перерасходу условного топлива 2,53 кг у.т. в час и 13,38 т у.т. в течение отопительного сезона.
Альтернативная тепловая схема ИТП
Как было показано ранее, наибольший вклад в сумму эксергетических потерь ИТП вносит их составляющая от теплообмена при конечной разности температур. Альтернативная тепловая схема ИТП на рис. 2 выбрана для максимально возможного снижения данного вида потерь с сохранением температурных графиков всех внутренних инженерных систем.
Уменьшение эксергетических потерь от конечной разности температур возможно путем снижения среднетермодинамической температуры подвода теплоты, а этого можно достичь снижением температуры обратной сетевой воды. Для этой цели теплообменники, обслуживающие системы с низкими температурами теплоносителя (напольное отопление и бассейн), включены последовательно по греющей среде с теплообменниками систем радиаторного отопления и ГВС.
В альтернативной схеме последовательно соединены теплообменники радиаторного и напольного отопления. Системы радиаторного и напольного отопления работают непрерывно на протяжении отопительного сезона, запускаются и отключаются одновременно. Их температурные графики позволяют отсуществить такую комбинацию без шунтирования теплообменника радиаторного отопления.
Теплообменники ГВС и бассейна также соединены последовательно.
Система горячего водоснабжения выполнена с трубопроводом циркуляции. При среднечасовой нагрузке 54050 ккал/ч и объеме циркуляции 20 % от максимального часового расхода температура воды на входе в теплообменник составит 23 °С, а в нерабочее время при отсутствии водоразбора — 50 "С.
Из-за нестабильности нагрузки ГВС последовательное соединение теплообменников дополнено байпасом с двухходовым регулирующим клапаном (рис. 2). При этом байпасный регулирующий клапан включается в работу только после того, как исчерпана возможность регулиро-
ю
39 С
29 С ¡2
Т2
41 С
77
85 С
Ижн
Рис. 2. Альтернативная тепловая схема ИТП
вания трехходовым клапаном и весь теплоноситель циркулирует через теплообменник бассейна.
Вычислим среднетермодинамические температуры процессов (табл. 2) и эксергетические потери в альтернативной тепловой схеме.
Потери эксергии от теплообмена при конечной разности температур (3):
ДРад от = 116020 (0,2052 -0,1705) =
4029,7 ккал/ч = 16,87 МДж/ч;
днапот=35700(0д38 9-0Д16 о) =
= 817,8 ккал/ч = 3,42 МДж/ч;
¿>™с =54050(0,1905-0,1097) =
= 4364,0 ккал/ч = 18,30 МДж/ч;
Д|ент = 7Ю00(0,2004-0,1705) =
= 2124,5 ккал/ч = 8,89 МДж/ч;
^.н.басс = 15300(0,1132-0,0687) =
= 680,6 ккал/ч = 2,85 МДж/ч.
Часть греющей воды в заданном режиме обходит теплообменники напольного отопления и бассейна по байпасам и смешивается с охлажденной водой, поэтому суммарная потеря эксергии от конечной разности температур в ИТП больше суммы эксергетических потерь теплообменников:
£)^тп = 12523,1 ккал/ч = 52,4 МДж/ч.
Потери эксергии от гидравлических сопротивлений (4):
=
Таблица 2
Среднетермодинамические температуры процессов в альтернативной схеме
Теплообменник / смесительный узел Температура по шкале Кельвина, К Температура по эксергетической шкале, °Е
Т гр Т иагр / Ф / наф
радиаторного отопления 341,42 327,12 0,2052 0,1705
напольного отопления 315,11 306,94 0,1389 0,1160
гвс 335,19 304,79 0,1905 0,1097
вентиляции 339,36 327,12 0,2004 0,1705
технологических нужд бассейна 306,76 291,37 0,1154 0,0687
Потери от теплообмена с окружающей средой
(5). Величину потерь от теплообмена с окружающей средой принимаем по ориентировочному расчету выполненному для проектной схемы, (объективных причин для ее значительного изменения нет):
=
Суммарные эксергетические потери альтернативной тепловой схемы индивидуального теплового пункта при средних за отопительный период тепловых нагрузках составят
/) = !)т+1^+£п=52,4 + 4,22 + 1,12 = =
что соответствует перерасходу условного топлива 1,97 кг у.т. в час и 10,40 т у.т. в течение отопительного сезона.
Благодаря применению альтернативной схемы ИТП, годовая экономия топлива составит 2,98 т у.т. В современных масштабах потребления топлива заявленная экономия невелика, но достигается она практически без дополнительных затрат на оборудование и обслуживание ИТП.
Снижение эксергетических потерь в индивидуальных тепловых пунктах может быть выгодно теплоснабжающей организации, но не принесет выгоды тепловому потребителю, поскольку поребитель оплачивает не расход топлива, а количество теплоты по установленному тарифу.
Коммерческий учет тепла ведется [2] теплосчетчиками по формуле
0 = С{И{-И2). (6)
Для двух рассмотренных тепловых схем при прочих равных условиях будет справедливо равенство С '(й"-й") = С"(Щ-Щ), что дает следующие значения:
8836 кг/ч(356,383 кДж/кг-217,990 кДж/кг) = = 6642 кг/ч(356,383 кДж/кг-172,278 кДж/кг) =
= 1,223 МДж/ч.
Потребление теплоты в обоих случаях одинаково.
В уменьшении эксергетических потерь ИТП путем снижения температуры обратной сетевой воды может быть заинтересована только теплоснабжающая организация. А поскольку именно теплоснабжающая организация определяет температурный график при выдаче технических условий подключения к тепловым сетям, то она владеет главным рычагом стимулирования эк-сергетической эффективности ИТП.
Резерв энергосбережения путем коррекции схемы индивидуального теплового пункта в проектируемом ДОУ составляет 115 ГДж в течение отопительного сезона, что равноценно 10,4ту.т. Снижение эксергетических потерь от теплообмена при конечной разности температур возможно на всех объектах, где есть инженерные системы, потребляющие теплоту с низкими параметрами. Любое изменение схемы ИТП не отразится на величине теплопотребления здания. Поэтому снижение эксергетических потерь ИТП приносит выгоду только теплоснабжающей организации в виде экономии топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бродянский, В.М. Эксергетический метод и его приложения [Текст] / В.М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред В. М. Бро-дянского.— М.: Энергоатомиздат, 1988.— 288 с.
2. Анисимов, Д.Л. Скрытые ошибки учета тепла [Текст] / Д.Л. Анисимов // Энергосбережение. - 2007. № 7,- С. 35-37.
