Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Термический к.п.д.

12

цикла Карно определяется отношением полезной

работы к подведенной энергии.

Н

К

Q

А



(6.5)

По закону сохранения энергии

Q

H

= A + Q

ОТВ

(6.6)

С учетом этого, термический к.п.д. цикла Карно равен:

Н

ОТВ

Н

ОТВH

К

Q

1

Q

QQ







(6.7)

Учитывая, что теплота пропорциональна температуре, окончательно

получаем:

Н

Х

К

Т

1 

(6.8)

Как известно из термодинамики идеальный цикл Карно имеет

максимально возможный термический к.п.д. и превышает к.п.д. других

циклов, протекающих в тех же условиях (при тех же температурах

охладителя и нагревателя). В этой связи естественно стремление приблизить

эффективность реальных теплоэнергетических установок к циклу Карно.

Относительный к.п.д. теплоэнергетической установки определяется по

формуле:

12

- при вычислении полного к.п.д. необходимо учитывать затраты энергии на выполнение

работы на участке 1 – 2, где газ принудительно сжимается

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

80

К

ТЭУ





(6.9)

Здесь η

ТЭУ

– к.п.д. анализируемой теплоэнергетической установки.

В формуле (6.9) термический к.п.д. цикла Карно необходимо

вычислять при температуре охладителя

13

и нагревателя рабочей

анализируемой теплоэнергетичесой установки, то есть, при тех же условиях.

В котельном оборудовании, на теплоэлектростанциях (ТЭЦ) и при

вторичном использовании отводящей теплоты используются утилизаторы

теплоты. Утилизаторы теплоты, это в простейшем случае теплообменники

(рисунок 6.3).

Рисунок 6.3. Схема теплообменника

Т

ВХ

– температура газов или жидкости на входе в теплообменник, Т

ВЫХ

–

температура газов или жидкости на выходе из теплообменника, Т′

ВХ

–

температура возвращаемых газов или жидкости на входе в теплообменник, Т

′

ВЫХ

– температура возвращаемых газов или жидкости на выходе из

теплообменника,

В теплообменниках газ или жидкость прокачивается через

отработанные нагретые газы или жидкость. В результате тепло отработанных

13

- часто в качестве охладителя используется окружающая среда

T

ВХ

T

ВЫХ

T

′

ВХ

T

′

ВЫХ

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

81

газов (жидкости) отдается прокачиваемым газам (жидкости), и они

нагреваются. Для теплообменников характерны соотношения: Т

ВХ

> Т

ВЫХ

, Т

′

ВХ

< Т′

ВЫХ

. К.п.д. утилизаторов отработанных газов легче всего определить

через энтальпию:

1

Г21

УГ

h

qhh 



(6.10)

где h

1

– удельная энтальпия отработанных газов на входе в утилизатор

теплоты, Дж/кг;

h

2

– энтальпия отработанных газов на выходе из утилизатора

теплоты, Дж/кг;

q

Г

– удельные потери теплоты на испарение влаги из газа (на 1 кг

сухих газов), Дж/кг.

Если используется отработанный пар или отработанная жидкость, то

к.п.д. утилизатора определяется более просто:

1

21

УГ

h

hh 



(6.11)

Кроме к.п.д. утилизаторов теплоты для оценки эффективности их

работы применяется коэффициент эффективности теплообмена,

предложенный Кэйсом и Лондоном /13/:

)ТТ(С

1Н1Гmin

1Н2НН

1Н1Гmin

2Г1ГГ

Т









(6.12)

где С – водяной эквивалент теплоносителя;

г,н – индексы, относящиеся к греющему и нагреваемому

теплоносителям соответственно;

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

82

1,2 – индексы, относящиеся к теплоносителю на входе и выходе

соответственно;

С

min

– меньшая величина из С

Г

и С

Н

.

Коэффициент эффективности теплообмена представляет собой

отношение фактической тепловой мощности теплообменника к максимально

возможной тепловой мощности на данном теплоносителе. Максимально

возможная тепловая мощность может быть получена при коэффициенте

теплопередачи λ → ∞ или площадью теплообмена S → ∞.

Для оценки эффективности использования греющего или нагреваемого

теплоносителя применяют коэффициент использования соответствующего

теплоносителя /13/:

MAX

Г

Т





(6.13)

MAX

Н

Т





(6.14)

Здесь ΔТ

Г

, ΔТ

Н

– изменение температуры греющего или нагреваемого

теплоносителя соответственно, К;

ΔТ

МАХ

– максимальный температурный напор в

теплообменнике, К.

Критерием оценки эффективности использования топливно-

энергетических ресурсов служит энергоемкость выпускаемой продукции,

которая определяется по формуле:

ПР

j

ПР

G

W

w





(6.15)

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

83

где W

j

– потребление топливно-энергетических ресурсов j-того вида,

приведенных к условному топливу (приложение 2), т.у.т.;

G

ПР

– количество выпущенной продукции, руб.

Снижение энергоемкость продукции может служить в качестве

критерия эффективности энергосберегающих мероприятий:

ПРБ

ПРНПРБ

ЭС

w

ww

Z





(6.16)

где w

ПРБ

– энергоемкость продукции базовая (до внедрения

энергосберегающих мероприятий), т.у.т./руб.;

w

ПРН

– энергоемкость продукции новая (после внедрения

энергосберегающих мероприятий), т.у.т./руб.

6.3. Критерии

энергетической оптимизации

на основе эксергетического анализа

Кроме традиционных критериев эффективности использования

энергии, существуют и другие критерии, отражающие особенности

энергосбережения в конкретных установках. Учитывая ограниченную

обратимость тепловой энергии представляются весьма перспективными

критерии на основе эксергетического анализа. Эти критерии позволяют

выявлять в любой системе элементы с наибольшей анергией

(необратимостью) тепловых процессов и совершенствовать или исключать

их из технологических линий производства.

Большинство задач с применением эксергетического анализа

ограничиваются оценкой только теплогенерирующих устройств, и

практически не рассматривают системы "генератор теплоты –

транспортировка тепловой энергии – потребитель теплоты". При этом

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

84

отметим не только явное преобладание таких задач в практике, но и

особенности их решения, связанные с противоречием интересов потребителя

и поставщика тепловой энергии

14

. Например, известно, что стоимость

теплоты тем выше, чем выше температура ее источника. С другой стороны,

теплота с температурой близкой к окружающей среде практически не

представляет никакого интереса. Это противоречие так же относит задачи по

энергосбережению к классу оптимизационных задач.

Эффективность всей энергосистемы зависит не только от

эффективности ее отдельных элементов (генератор, транспортные средства,

потребители энергии), но и от термодинамического соответствия. Например,

если генератор тепла имеет максимально возможный к.п.д., но будет

подавать на приемник теплоту с завышенной или заниженной температурой,

то общая эффективность термодинамической системы не будет максимально

возможной. Только создания условий термодинамического соответствия

элементов системы в сочетании с высокими показателями эффективности

этих элементов обеспечит высокую эффективность всей системы. Эти же

условия позволяют свести к минимуму потери от необратимости в процессах

передачи теплоты от источника к потребителю, то есть, потери эксергии.

В любом тепловом процессе подводимая эксергия меньше отводимой.

Вследствие этого в теплообменниках ценность (запас эксергии) теплоты

греющего теплоносителя всегда больше ценности теплоты нагреваемого

теплоносителя. Эксергетические потери можно вычислить по уравнению

Гюи-Стодолы:

ΔЕ

Т

= Т

0

ΔS

НЕОБР

(6.17)

где ΔS

НЕОБР

– изменение энтропии в результате необратимости

процессов, Дж/К.

14

- это так же относится ко всем системам с другими видами энергии

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

85

Изменение энтропии определяют по уравнению энтропического

баланса для открытой термодинамической системы.

Используя уравнение Гюи-Стодолы степень термодинамического

соответствия можно определить следующим образом:

1

НЕОБР0

1

НЕОБР01

1

Т1

1

2

Е

SТ

1

Е

SТЕ

Е

ЕЕ

Е













(6.18)

где Е

1

– эксергия входящего потока тепла, Дж.;

Е

2

– эксергия выходящего (отводимого) потока тепла, Дж.

Если в установке используется два потока теплоносителей (например,

теплообменники), то можно определять эксергетическое совершенство

следующим образом:

Г

Н

Е





(6.19)

Здесь ΔЕ

Н

– увеличение эксергии нагреваемого теплоносителя, Дж.;

ΔЕ

Г

– уменьшение эксергии греющего теплоносителя, Дж.

Формула (6.19) показывает на сколько увеличивается эксергия

нагреваемого потока за счет эксергии греющего потока.

Обобщающим показателем эксергетической эффективности служит

эксергетический к.п.д. термодинамической системы:

1

НЕОБР0

1

2

Е

SТ

1

Е











(6.20)

Эксергетические критерии позволяют значительно уточнить

энергетический анализ. Так, например, при традиционном анализе

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

86

теплообменника в соответствии с первым законом термодинамики не имеет

значение температура нагревателя воды. Эксергетический анализ показывает

влияние температуры нагревателя на эффективность теплового процесса /13/.

В подтверждении рассмотрим следующий пример.

Пусть требуется нагревать воду от 283 К до 343 К. Первый вариант

нагрева от источника тепла с температурой 1573 К, второй вариант нагрева

от источника тепла с температурой 423 К. Используя (5.22) рассчитаем

эксергетический к.п.д.

По первому варианту

213,0

1573

283

1

343

283

1

Е







По второму варианту

493,0

423

283

1

343

283

1

Е







Как видим, второй вариант имеет более чем в два раза больший

эксергетический к.п.д. Это значит, что по второму варианту более долго

можно использовать тепловую энергию до ее полного превращения в

анергию, то есть, до ее полного рассеивания в окружающей среде. Используя

первый закон термодинамики о балансе подводимой теплоты, внутренней

энергии и работы, таких результатов получить не удается.

Таким образом, эксергетический анализ и эксергетические критерии

оптимальности энергосистем в отличие от термодинамического анализа

позволяют устанавливать максимально эффективные тепловые процессы

путем определения и дальнейшего устранения потерь эксергии. После

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

87

установления узлов с недопустимо высокими эксергетическими потерями

эффективность системы можно повысить двумя способами:

 уменьшить потери в тех узлах, в которых выводится теплота;

 создать новые узлы для использования эксергии выводимой

теплоты.

Первый способ основан на замене неэффективного оборудования на

более эффективное в термодинамическом отношении. Второй способ

предполагает использовать теплообменники (которые и устанавливаются в

новых узлах термодинамической системы) для вторичного использования

отводимого тепла от неэффективно используемых энергоустановок.

Априорно можно утверждать, что эти способы альтернативны друг другу, и

требуют элементарных экономических расчетов по их выбору.

Действительно, чем меньше будут потери теплоты, тем худшие условия для

ее отбора. Следовательно, полное решение первой задачи (уменьшение

потерь до нуля) снимает вторую задачу (установку теплообменников)

15

.

Глава 7. Энергосбережение

при производстве и распределении

тепловой энергии

7.1. Физические принципы

15

- здесь для наглядности противоречия приводятся идеальные варианты, недостижимые

на практике.

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

88

производства и распределения

тепловой энергии

Тепловая энергия производится, в основном, путем сжигания

ископаемого углеводородного топлива, что и будет представлено в

настоящей главе. Хотя известны (и действуют) и альтернативные способы

производства теплоты, например, гелионагревательные установки.

Гелионагревательные установки могут производить не только

низкотемпературное тепло, в сочетании с различными концентраторами

гелионагреватели способны производить теплоту с температурой до 2000 К /

6, 7/. Отметим также, что когда говорят о производстве тепловой энергии,

обычно подразумевают процессы отопления и горячего водоснабжения

16

,

получение высокотемпературного тепла для металлургии это понятие не

охватывает. Для обобщения процессы отопления и горячего водоснабжения

называют процессами теплоснабжения.

Известны следующие способы производства теплоты для

теплоснабжения:

 сжигание углеводородного топлива в котельных с целью

теплоснабжения;

 сжигание углеводородного топлива в тепловых машинах для

производства механической работы и электроэнергии, и затем

использование отводимой теплоты для теплоснабжения и горячего

водоснабжения;

 получение тепловой энергии в электрических нагревателях.

Произведенная тепловая энергия должна быть доставлена к

потребителю теплоты. Для доставки теплоты к потребителям необходимо

либо источник теплоты размещать непосредственно у потребителя

(автономная система теплоснабжения), либо транспортировать ее к

потребителю (централизованная система теплоснабжения). При

16

- в некоторых случаях сюда относят процессы получения технологического пара

1 3

2

1

3

4

5

2

1

2 3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

89

Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.