Учет тепловой энергии у источника теплоты

ЛЕКЦИИ (2 лекции) 1.1. Учет тепловой энергии у источника теплоты Схемы установки датчиков прибора учета для водяных и паровых систем теплоснабжения представлены на рис. 42 и 43. Для определения количества теплоты отпущенной источником в водяные системы теплоснабжения, если на источнике имеется один подающий, один обратный и подпиточный трубопровод применяется следующая формула: Q  G1  h1  G2  h2  Gп  hп , где G1 - масса теплоносителя отпущенного источником по подающему трубопроводу; G2 - масса теплоносителя возвращаемого источнику по обратному трубопроводу; Gп - масса теплоносителя израсходоного на подпитку системы теплоснабжения; h1 - энтальпия сетевой воды в подающем трубопроводе; h2 - энтальпия сетевой воды в обратном трубопроводе; hп - энтальпия холодной воды для подпитки системы теплоснабжения. Рис. 42. Принципиальная схема размещения датчиков при измерении массы и других параметров теплоносителя на источнике теплоты для водяных систем теплоснабжения. 1 - подающий трубопровод; 2 - обратный трубопровод; 3 - трубопровод холодной воды; 4 - трубопровод подпиточной воды; 5-теплообменик (бойлер); 6 - сетевой насос; 7 - расходомер; 8 - датчик давления; 9 - датчик температуры. Для определения количества теплоты отпущенной источником в паровые системы теплоснабжения если на источнике имеется один подающий трубопровод, один обратный трубопровод и один подпиточный трубопровод. Q  D  h1  hхв   Gк  hк  hхв  , где D - масса пара, отпущенного источником по подающему трубопроводу; G к - масса конденсата, возвращаемого источнику по конденсатопроводу; h1 - энтальпия пара в подающем трубопроводе; hк - энтальпия конденсата в конденсатопроводе; h хв - энтальпия холодной воды используемой для подпитки системы теплоснабжения. Рис. 43. Принципиальная схема размещения датчиков при измерении массы и других параметров теплоносителя на источнике теплоты для паровой системы теплоснабжения. 1 - паропровод; 2 - конденсатопровод; 3 - трубопровод холодной воды; 4 - конденсатосборник. 1.2. При Учет тепловой энергии у потребителя теплоты вычислении отпущенной потребителю тепловой энергии необходимо знать, как разграничена тепловая сеть между потребителем и энергоснабжающей организацией. Для этого вводится понятие граница балансовой принадлежности тепловых сетей - это линии раздела между владельцами тепловых сетей по признаку собственности, аренды или полного хозяйственного ведения. Схема установки датчиков прибора учета тепловой энергии у потребителя представлена на рис. 44. Количество тепловой энергии и масса теплоносителя, получаемая потребителем, рассчитываются энергоснабжающей организацией на основании показаний приборов энергоучета за период, предусмотренный договором по следующей формуле: Q  Qп  QU  Gп  Gгв  G у  hг  hхв  , где: QU - тепловая энергия израсходованная потребителем по показаниям теплосчетчика; Q п - тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до его узла учета; G п - масса сетевой воды израсходованной потребителем на водоразбор (определяется по показаниям водосчетчиков, учитывается только для открытых систем водоснабжения); h г - энтальпия сетевой воды в обратном трубопроводе; h хв - энтальпия холодной воды для подпитки системы теплоснабжения на источнике теплоты. Величина h г и h хв определяется по измерениям на узле учета источника теплоты средним за рассматриваемый период. Тепловая энергия, израсходованная потребителем по показаниям теплосчетчиков: Qu  G1  h1  h2  , где: G1 - масса сетевой воды в подающем трубопроводе; h1 - энтальпия сетевой воды в подающем трубопроводе; h2 - энтальпия сетевой воды в обратном трубопроводе. Для вычисления количества тепловой энергии полученной паровыми системами теплоснабжения используется следующая формула: Q  Qu  Qп  D  Gк   hк  hхв  , где: Q u - тепловая энергия израсходованная потребителем по показаниям теплосчетчиков; Qп - тепловые потери на участке от границы балансовой принадлежности системы теплоснабжения потребителя до узла учета; D - масса пара полученная потребителем; G к - масса возвращаемого потребителем конденсата; hк - энтальпия конденсата в конденсатопроводе на источнике теплоты; hхв - энтальпия холодной воды используемой для подпитки системы теплоснабжения. Рис. 44. Принципиальные схемы размещения датчиков при измерении массы и других параметров теплоносителя (закрытая система): 1 - подающий и 2 обратный трубопроводы; 3 - холодная вода; 4 - подпиточный трубопровод; 5 - элеватор; I – горячее водоснабжение; II -вентиляция; III - отопление. 1.3. Повышение энергоэффективности путем применения парогазового цикла В любом цикле вся теплота горячего источника q1, не превращенная в работу lц отдается холодному источнику q2. В цикле ГТУ она фактически выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами сгорания, имеющими достаточно высокую температуру (400 °С и выше). Конечно, теплоту этих газов можно использовать для целей теплофикации, однако высокий ее потенциал (большая работоспособность) позволяет применить ее и для производства энергии в комбинированных установках. Комбинированные установки, в которых одновременно используются два рабочих тела: газ и пар, называются парогазовыми. Простейшая схема парогазовой установки показана на рис. 45, а цикл ее - на рис. 46. Рис. 45. Схема простейшей парогазовой установки: ГТ - газовая турбина; ЭГ - электрогенератор; ПК - паровой котел; ПН - питательный насос; К - конденсатор; ПТ - паровая турбина; ВК - воздушный компрессор; КС - камера сгорания; ТН - топливный насос; П - подогреватель Рис. 46. Цикл простейшей парогазовой установки Горячие газы, уходящие из газовой турбины после совершения в ней работы, охлаждаются в подогревателе П, нагревая питательную воду, поступающую в паровой котел. В результате уменьшается расход теплоты (топлива) на получение пара в котле, что приводит к повышению эффективности комбинированного цикла по сравнению с этими же циклами, осуществляемыми раздельно. Мощности и параметры газотурбинной и паротурбинной установок выбираются таким образом, чтобы количество теплоты, отданной в подогревателе П газами, равнялось количеству теплоты, воспринятой питательной водой. Это определяет соотношение между расходами газа и воды через подогреватель П. Цикл комбинированной установки (рис. 46) строится для 1 кг водяного пара и соответствующего количества газа, приходящегося на 1 кг воды. В цикле газотурбинной установки подводится теплота, равная площади 1-б-3-5, и получается полезная работа lц.г, равная площади 1-2-3-4-5. В цикле паротурбинной установки, при его раздельном осуществлении количество подведенной теплоты равно площади 6-е-в-8-9-10, а полезная работа lцп площади 6-7-8-9-10. Теплота отработавших в турбине газов, равная площади 2-б-д-4, при раздельном осуществлении обоих циклов выбрасывается в атмосферу. В парогазовом цикле теплота, выделяющаяся при охлаждении газов по линии 2-3 и равная площади 2-б-а-З, не выбрасывается в атмосферу, а используется на подогрев питательной воды по линии 8-9 в подогревателе П. Теплота, затрачиваемая на образование пара в котле, уменьшается на количество, равное заштрихованной площадке 9-г-в-8, а эффективность комбинированного цикла увеличивается, поскольку суммарная полезная работа обоих циклов lц.г + lц.п одинакова при совместном и раздельном их осуществлении. В различных технологических схемах возможны другие варианты парогазовых установок, позволяющих использовать теплоту, выделяющуюся в технологическом процессе для получения механической энергии, чаще всего потребляемой в этих же схемах, на привод компрессоров, насосов и т. д. 1.4. Повышение энергоэффективности путем интенсификации теплопередачи Для интенсификации переноса теплоты через стенку нужно либо t ж1  t ж 2 , либо увеличить перепад температур между теплоносителями уменьшить термическое сопротивление теплопередачи Rк. Температуры теплоносителей обусловлены требованиями технологического процесса, поэтому изменить их обычно не удается. Термическое сопротивление Rк можно уменьшить различными способами, воздействуя на любую из составляющих Rα1, Rλ, Rα2. Интенсифицировать конвективный теплообмен и уменьшить Rα можно путем увеличения скорости движения теплоносителя, турбулизации пограничного слоя и т. д. Термическое сопротивление материала и толщины стенки. теплопроводности Rλ, зависит от Прежде чем выбирать методы воздействия на процесс теплопередачи, необходимо установить вклад отдельных составляющих Rα1, Rλ и Rα2 в суммарную величину Rк. Естественно, что существенное влияние на Rк будет оказывать уменьшение наибольшего из слагаемых. В широко используемом в технике процессе передачи теплоты от капельной жидкости к газу через металлическую стенку наибольшее термическое сопротивление имеет место в процессе теплоотдачи от газа к стенке Rα2, а остальные термические сопротивления Rα1 и Rλ пренебрежимо малы по сравнению с ним. В таких случаях для интенсификации теплопередачи очень часто оребряют ту поверхность стенки, теплоотдача от которой менее интенсивна (рис. 47). За счет увеличения площади F2 оребренной поверхности стенки термическое сопротивление теплоотдачи с этой стороны стенки R 2  1 2  F уменьшается и со- ответственно уменьшается значение Rк. Рис. 47. Оребренная поверхность Аналогичного результата можно было бы достигнуть, увеличив α2, но для этого обычно требуются дополнительные затраты мощности на увеличение скорости течения теплоносителя. Ребра, имеют форму пластин, стержней или любую другую. Прикрепляют к теплоотдающей поверхности с помощью сварки, пайки или изготовляют как целое со стенкой (радиаторы отопления, корпуса двигателей и редукторов, радиаторы для охлаждения воды в двигателях внутреннего сгорания и т.д.) Термическое сопротивление теплоотдачи Rα2 за счет оребрения поверхности уменьшается пропорционально коэффициенту оребрения ( о тн о ш е нию площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности до ее оребрения), т.е. К ор  1.5. Fор Fгл . Повышение энергоэффективности за счет применения тепловой изоляция Назначение тепловой изоляции - уменьшение потерь теплоты сооружениями, агрегатами, коммуникациями. Материалы с мал о й теплопроводностью [λ < 0,2 Вт/(м·К)] называются теплоизоляторами. Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой или пористой основы, заполненной воздухом. Термическое сопротивление теплоизолятора создает воздух, а основа лишь препятствует возникновению естественной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением. Сама основа в плотном состоянии обычно обладает достаточно высокой теплопроводностью [λ≈1Вт/(м·К)]. Эффективность тепловой изоляции зависит: 1) От плотности набивки теплоизолятора. С увеличением плотности набивки теплопроводность возрастает - эффективность снижается. 2) От температуры теплоизолятора. С увеличением температуры коэффициент теплопроводности теплоизоляции растет из-за увеличения теплопроводности воздуха и усиления теплопереноса излучением - эффективность снижается. 3) От влажности теплоизолятора. Очень сильно растет теплопроводность при увлажнении пористых теплоизоляторов. Поры заполняются водой, теплопроводность которой на порядок выше, чем воздуха, и, кроме того, за счет капиллярных явлений вода может перемещаться внутри пор, усиливая, таким образом, перенос теплоты. В результате - эффективность снижается. Основные виды тепловой изоляции: 1) Теплоизоляционные плиты, блоки, кирпичи; 2) Искусственно вспученные материалы из застывшей пены (пенопласты, вермикулит, пенобетоны и т.д.); 3) Вакуумно-многослойные и вакуумно-порошковые теплоизоляционные материалы, λэф≈10-4 Вт/(м·К). Расчет теплоизоляции проводят по формуле теплопередачи, причем допустимые теплопотери обычно известны, а в результате расчета находят толщину слоя теплоизоляции δ, которая входит в выражение Rλ. Вид теплоизолятора выбирают по температуре и физико-химическим свойствам теплоносителей. Каждый теплоизолятор имеет вполне определенную предельную температуру, при которой он еще сохраняет свои свойства. ПРАКТИКИ (3 практики) Решить задачи используя теорию приведенную ниже. Раздел V. Расчет автоматических регулирующих устройств Выбор типоразмера регулирующего клапана: Пропускная способность клапана:  kv  V , м3/ч p Пропускная способность полностью открытого клапана: y kv  0.75 или kvs  1.3  kv kvs Пример Дано: Нагрузка на систему отопления Q = 14 кВт; Перепад температур в системах отопления T = 20 °C; Потери давления на клапане PКЛ = 0,15 бар. Решение: Расход теплоносителя через клапан: G Q  0.86 14  0,86   0,6 м3/ч. T 20 Пропускная способность полностью открытого клапана: kVS  G P  0,6 0,15  1,6 м3/ч. Данное значение kVS можно также найти по диаграмме. По kVS = 1,6 м3/ч выбирается клапан DN = 15 мм. Электрические средства автоматизации тепловых пунктов и центральных вентиляционных установок Электронные регуляторы температуры серии ECL, реле температуры и преобразователи давления Погодные компенсаторы серии ECL, модули ECA, принадлежности Эскиз Тип Кол-во в упаковке, шт. Описание Группа скидок Цена, евро без НДС с НДС Электронные регуляторы серии ECL Comfort 210 и ECL Comfort 310 Варианты комплектации контроллеров ECL Comfort ECL110 клеммник в комплекте Регулятор одноконтурный – управление клапаном и насосом системы отопления 1 PL08-ECL 361,27 426,30 ECL110 клеммник в комплекте Регулятор одноконтурный – управление клапаном и насосом системы ГВС со скоростным водоподогревателем 1 PL08-ECL 361,27 426,30 Регулятор двухконтурный – управление клапанами и насосами системы отопления и системы ГВС 1 PL08-ECL 382,00 450,76 1 PL08-ECL 190,00 224,20 ECL Comfort клеммная панель 1 PL08-ECL 52,00 61,36 ECL210 А266 — Температурные датчики для погодных компенсаторов серии ECL Эскиз Цена, евро Кол-во в упаковке, шт. Группа скидок Датчик температуры наружного воздуха ( -50 ... +50 °С) 1 PL08-ECL 46,64 55,04 Датчик температуры внутреннего воздуха +50 °С) 1 PL08-ECL 46,64 55,04 Тип Описание без НДС с НДС Датчики градуировки Pt1000 (3,85 Ом/град.) ESMT ESM-10 ( -30 ... ESMU Датчик погружной, l = 100 мм (0 ... +140 °С), медь 1 PL08-ECL 76,50 90,27 — Паста теплопроводящая, 3,5 см3 10 PL02 6,52 7,69 — Гильза из нержавеющей стали, l = 100 мм (0 ... +180 °С) 1 PL08-ECL 64,37 75,96 Трехходовые клапаны Тип Ду, мм Kvs, м3/ч Присоединение, дюймы Цена, евро без НДС с НДС Клапан регулирующий VF 3 фланцевый для применения с приводами AMV(E) 435, AME 445 ( Ду = 15–80 мм, до 130 °С), AMV(E) 438 SU ( Ду = 15–50 мм), AMЕ 655, 658 (SU/SD) (Ду = 100–250 мм), AMV(E) 85, 86 (Ду = 125–150 мм); регулируемая среда – вода; для Ду = 15–100 мм Ру = 16 бар при Тмакс. = 150 °С, для Ду = 125–150 мм Ру = 13 бар при Тмакс. = 200 °С; для Ду = 200–250 мм Ру = 16 бар при Тмакс. = 130 °С материал – чугун. VF 3 15 4,0 — 677,87 799,90 VF 3 20 6,3 — 756,04 892,13 VF 3 25 10 — 850,26 1003,30 VF 3 32 16 — 951,63 1122,93 VF 3 40 25 — 1084,92 1280,19 VF 3 50 38 — 1250,34 1475,40 VF 3 65 63 — 2094,32 2471,29 VF 3 80 100 — 2426,41 2863,15 VF 3 100 145 — 2726,01 3216,69 VF 3 125 220 — 3058,08 3608,53 VF 3 150 320 — 3164,65 3734,29 VF 3 200 630 — 9025,00 10649,50 VF 3 250 1000 — 12500,00 14750,00 VF 3 300 1250 — 16000,00 18880,00 Двухходовые (проходные) клапаны Клапан регулирующий VB 2 фланцевый, разгруженный для применения с приводами AMV(E) 10 и AMV(E) 13 (Ду = 15–20 мм), AMV(E) 20, AMV(E) 23, AMV(E) 30, AMV(E) 33; регулируемая среда – вода; Ру = 25 бар, Тмакс. = 150 °С; материал – чугун VB 2 15 0,25 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 0,4 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 0,63 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 1,0 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 1,6 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 2,5 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 15 4,0 — PL08-DH-V 326,62 VB 2 20 6,3 — PL08-DH-V 354,51 VB 2 25 10 — PL08-DH-V 357,90 VB 2 32 16 — PL08-DH-V 408,66 VB 2 40 25 — PL08-DH-V 502,73 VB 2 50 40 — PL08-DH-V 614,63 Электроприводы редукторные с импульсным управлением (трехпозиционные) серии AMV для седельных регулирующих клапанов и встраиваемые модули Тип Напряжение питания, В Ход штока, мм Ду управ-ляемого клапана, мм Кол-во в упаковке, шт. Электроприводы AMV для применения с клапанами VM 2, VB 2 AMV 10 230 5,5 15–251) 1 AMV 20 230 10 15–50 1 AMV 30 230 10 15–50 1 Электроприводы AMV с возвратной пружиной - шток полностью выдвигается (SD) для применения с клапанами VM 2, VB 2 AMV 13 230 5,5 15–251) 1 AMV 23 230 10 15–50 1 AMV 33 230 10 15–50 1 Электроприводы AMV для применения с клапанами VF 3, VRB 2/3, VRG 2/3 (макс. рабочая температура регулируемой среды не более 130 °С) AMV 435 230 20 15-80 Задача 5.1 1 Подобрать регулирующий клапан c электроприводом (Danfoss) для калориферной установки. Расход сетевой воды через установку Gр = 10 м3/ч. Потери давления в калорифере Δpу = 3 м.вод.ст. Давление в подающем трубопроводе рп = 7 кгс/см2. Давление в обратном трубопроводе ро = 5 кгс/см2. Клапан установлен на подающем трубопроводе с максимальной температурой 150 0С и давлением 10 кгс/см2. Задача 5.2 Подобрать регулирующий клапан c электроприводом (Danfoss) для системы ГВС. Расчетная тепловая нагрузка системы ГВС Qгвс = 150 кВт. Потери давления в теплообменнике ГВС Δpу = 5 м.вод.ст. Давление в подающем трубопроводе рп = 8 кгс/см2. Давление в обратном трубопроводе ро = 5,5 кгс/см2. Клапан установлен на подающем трубопроводе с максимальной температурой 150 0С и давлением 10 кгс/см2. Температурный график в зоне срезки температурного графика 75/45 0С. Задача 5.3 Подобрать регулирующий клапан c электроприводом (Danfoss) для открытой системы ГВС. Расчетный расход воды на систему ГВС Gгвс = 12 м3/ч. Давление в подающем трубопроводе рп = 6 кгс/см2. Давление в обратном трубопроводе ро = 3,5 кгс/см2. Клапан установлен на подающем трубопроводе с максимальной температурой 150 0С и давлением 10 кгс/см2. Задача 5.4 Схема применения электронного регулятора ECL 200 с картой P30 Расчетная тепловая нагрузка отопления Qо = 350 кВт. Давление в подающем трубопроводе рп = 6 кгс/см2. Давление в обратном трубопроводе ро = 3,5 кгс/см2. Сопротивление системы отопления Δро = 1 м.вод.ст. Тариф на тепловую энергию ТQ = 2980 руб./Гкал. Продолжительность отопительного сезона nо = 5712 ч/год. Расчетная температура: внутреннего воздуха t вр = 20 С, наружного воздуха t нр = – 38 0С, средняя температура за отопительный период t нср.от = -12,4 0С. Расчетный температурный график: в теплосети 150/70 С, в системе отопления 95/70 0С. Ожидаемая экономия тепла 20 % от существующего годового теплопотребления. Стоимость насоса 40 000 руб. Подобрать оборудование автоматики (Danfoss) для системы отопления. Определить стоимость оборудования S и ожидаемый простой срок окупаемости Ток. Задача 5.5 Схема применения электронного регулятора ECL 300 с картой С66 Расчетная тепловая нагрузка отопления Qо = 550 кВт. Расчетная Тепловая нагрузка ГВС Qгвс = 100 кВт. Давление в подающем трубопроводе рп = 8 кгс/см2. Давление в обратном трубопроводе ро = 5,5 кгс/см2. Сопротивление системы отопления Δро = 1 м.вод.ст. Потери давления в теплообменнике ГВС Δpу = 5 м.вод.ст. Тариф на тепловую энергию ТQ = 2980 руб./Гкал. Продолжительность отопительного сезона nо = 5712 ч/год. Расчетная температура: внутреннего воздуха t вр = 20 0С, наружного воздуха t нр = – 38 0С, средняя температура за отопительный период t нср.от = -12,4 0С. Расчетный температурный график: в теплосети 150/70 0С, в системе отопления 95/70 0С. Температурный график в зоне срезки температурного графика 75/45 0С. Ожидаемая экономия тепла 30 % от существующего годового теплопотребления. Стоимость насоса отопления 45 000 руб., насоса ГВС – 5 000 руб. Подобрать оборудование автоматики (Danfoss). Определить стоимость оборудования S и ожидаемый простой срок окупаемости Ток. В личный кабинет выложить решенные задачи. Также выполнить реферат согласно установочных материалов. Темы рефератов определить самостоятельно. Реферат выложить также в личный кабинет. Зачет будет выставлен на основании реферата и решенных задач.