СПОСОБ ПОТРЕБЛЕНИЯ ПОТОКА ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F24D3/18 

Способ потребления потока теплоты относится к области утилизации отходов теплоты, получаемых в процессе преобразования энергии. Он предназначен для энергосбережения топлива, сжигаемого в тепловом двигателе, способном выдавать потребителю по линиям энергоснабжения электрическую и тепловую энергию, а также для эффективного использования отходов теплоты, реализуемой потребителем для отопления зданий, потребностей в горячей воде.

Неизбежный спутник всех процессов передачи и преобразования энергии - потери энергии. Потери энергии происходят, когда передается теплота с большой разностью температур, во всех случаях механического трения, электрического сопротивления и смешения потоков.

В качестве характеристики эффективности использования потока теплоты принимаем эксергетическую температурную функцию η_к, которая представляет отношение потоков энергии и теплоты [1]

где T₄ - температура источника теплоты, выдаваемая теплосетью;
T₀ - температура охлажденного потока теплоты, возвращаемого в теплосеть.

Температурный интервал потребления потоков эксергии и источника теплоты задается поставщиком потребителю. Потребитель по графическим параметрам процесса охлаждения теплового двигателя устанавливает на своей нагрузке заданную энергосберегающую технологию и режим потребления потока теплоты, используемый для отопления зданий, потребностей в горячей воде [2].

Эта функция представлена в виде коэффициента полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя, в котором нет рождения энтропии, а значит исчезновения энергии.

На фиг. 1 представлена функциональная схема типового проекта потребления потока теплоты [3].

Она содержит сопротивление потоку источника теплоты, которое выполнено в виде последовательного соединения насоса 6 с обратным клапаном 7. Насос противоточно смешивает теплоноситель источника теплоты с охлажденным потоком теплоты, поступающим с выхода на вход базовой нагрузки потребителя. Элементами базовой нагрузки являются кондиционеры приточной вентиляции 4 и бойлер отопления 3. Они размещены между нагревателем 1, нагревающим рекуперированное тепло охлажденного потока теплоты, возвращаемого в теплосеть, и рекуператором 5, включенных в теплосеть. Эти элементы нагрузки потребителя с различными термическими КПД по аналогии с электрическими цепями собраны в схему деления постоянного потока источника теплоты на разнотемпературные потоки, смешиваемые до значений графических параметров охлаждения потока теплоты, возвращаемого в теплосеть.

Под действием перепада давлений в теплосети в точках присоединения нагрузки потребителя протекает постоянный ток источника теплоты с температурой T₄ и за счет своего охлаждения нагревает встречные потоки сложного теплообменника, например, центрального теплового пункта (ЦТП), теплота которого используется для нужд потребителя, в то время как охлажденный поток теплоты с температурой T₀ возвращается в теплосеть.

В функциональных схемах на фиг. 1, 2 с помощью кружков с цифрами обозначены места потерь эксергии от "термического трения", возникающего при смешении разнотемпературных потоков теплоты.

С помощью пунктирных ветвей с ключами, блокирующими ту или иную часть элементов нагрузки, обозначены режимы потребления потока теплоты потребителем, а пунктирные ветви с разомкнутыми ключами характеризуют вариант экономии денежных затрат потребителем, т.к. потребитель в условиях изменения цен за использование энергоресурсов стремится экономить электрическую и тепловую энергию, т.е. осуществляет неполное включение нагрузки кондиционера в тепловую мощность своего объекта, эксплуатация которого зависит от вероятности отказа систем их управления, а также стабильности рекуперации охлажденного потока теплоты.

Эти варианты экономии денежных затрат квази включают ключи ветвей нагрузки, и тепловой режим потребления теплоты переходит в адиабатическое состояние, при котором эксергетическая функция стремится к пиковому режиму возврата потока теплоты в теплосеть или к сохранению энергии в изолированном замкнутом контуре.

Для снятия пикового режима температуры охлаждения источника теплоты, возвращаемой в теплосеть, используется противоточное смешение. Однако этот режим потребления теплоты может поддерживаться только при активном потреблении горячей воды, что подразумевает ее постоянный проток через линию горячего водоснабжения (ГВС). Это противоречит экономии общего расхода воды для снижения денежных затрат потребителем. В соответствии с этим, теплосеть предлагает потребителю компромисс в изменении разности потока эксергии с большей величины на меньшую (T₄-T₁), т.е. изменению энергосберегающей технологии и режима потребления теплоты.

В дальнейшем считаем, что организационные мероприятия отвечают условию энергосберегающей технологии, а эффективность потребления потока теплоты определяется потребностью дня потребителем.

По графическим данным заданной энергосберегающей технологии оценим температуру смешения разнотемпературных потоков теплоты в представленной схеме типового проекта потребления потока теплоты. Для этого используем графические параметры заданной энергосберегающей технологии потребления потока теплоты, например, соответствующей температуре источника теплоты T₄ = 108^oC, а для облегчения вычисления температуры смешивающихся потоков принимаем их равные массы. Тогда по длине нагрузки изменение температуры охлаждения источника теплоты в местах смешения принимаем значение G. Далее по тексту для типового проекта фиг. 1 нижние цифровые индексы при буквенных обозначениях соответствуют точкам на схемах фиг. 1, 2, указанным в кружочках.

Изменение температуры охлаждения источника теплоты по длине нагрузки
G₁ = (T₃ + T₄)/2 = (71 + 108)/2 = 89,5^oC;
G₂ = (G₁ + 1,03T₀)/2 = (89,5 + 1,03•38)/2 = 64,32^oC.

В выражении G₂ коэффициент при T₀ равный 1,03 определяет верхний предел норматива температуры воды, возвращаемой в теплосеть, выше которого применяются штрафные санкции (пиковый режим).

G₃ = (G₂ + T₁)/2 = (64,32 + 54)/2 = 59,16^oC;
G₄ = (G₃ + T₂)/2 = (59,16 + 53)/2 = 56,08^oC.

При передаче тепловой мощности R от потока жидкости с температурой G к потоку с температурой T_гр изменение эксергии по длине нагрузки от термического трения D (где T_гр - графические параметры температур воды, обязательных для потребителя) составляет
D₁/R = (T₄ - G₁)/T₄ = (108 - 89,5)/108 = 0,17; D₁ = 0,17R.

D₂/(R - D₁) = (G₁ - G₂)/G₁ = (89,5 - 64,32)/89,5 = 0,28; D₂ = 0,23R.

D₃/(R - D₂) = (G₂ - G₃)/G₂ = (64,32 - 59,16)/64,32 = 0,08; D₃ = 0,06R.

D₄/(R - D₃) = (G₃ - G₄)/G₃ = (59,16 - 56,08)/59,16 = 0,05; D₄ ≈ 0,05R.

D₅/(R - D₄) = (G₄ - T₀)/G₄ = (56,08 - 38)/56,08 = 0,32; D₅ = 0,3R.

Отсюда видно, что в интервалах между точками смешения разнотемпературных потоков теплоты доля эксергетических потерь на трение составляет
(D₂ + D₄)/ R = 0,23 + 0,05 = 0,28.

Величина потерь эксергии на трение определяется:
G₁ - G₂ = 89,5 - 64,32 = 25,18^oC;
G₃ - G₄ = 59,16 - 56,08 = 3,08^oC.

Суммарная величина потерь эксергии на трение составляет
ΔΣ = 25,18 + 3,08 = 28,26^oC.
Определим величину плотности потока эксергии через эксергетический вектор Умова в потоке воды при изменении ее температур на 28,26^oC в окружающей среде 27^oC

Здесь приняты округленные величины плотности ρ и теплоемкости (C) воды и умеренная величина ее скорости V=1 м/с. Эксергия получена умножением энтальпии (C•ΔT) на ее эксергетическую функцию (ΔT/T).
Оценка показывает, что плотность потока эксергии 11•10⁶ [Вт/м²] в первом контуре нагрузки потребителя бесследно исчезает.

Целью изобретения является эффективность использования утилизируемого потока теплоты, достигаемой за счет уменьшения внутритермического трения, возникающего при массообмене разнотемпературных потоков, и экономии топлива, сжигаемого в процессе преобразования энергии.

На фиг. 2 представлена функциональная схема реконструкции типового проекта потребления потока теплоты.

Она содержит: усилитель источника потока теплоты, выполненный в виде насоса 6, который размещен в цепи нагрузки; базовую нагрузку, элементы которой с различными термическими КПД собраны в схему деления потоков эксергии так, что элементы нагрузки с малыми термическими КПД установлены перед большими, например, сначала бойлер отопления 3, а затем кондиционеры проточной вентиляции 4. При этом в пиковом режиме (превышение температуры T₀ выше нормативно допустимого), регулятор блокировки 8 предыдущего элемента 3, например, разрывает свою гидравлическую цепь, в то время как в провальном - соединяет. Провальный режим - режим при котором происходит отклонение температурных параметров элементов базовой нагрузки ниже графических.

При малых перепадах давлений в теплосети и (или) увеличенном гидравлическом сопротивлении нагрузки потребителя включают усилитель потока теплоты (насос).

По графическим данным заданной энергосберегающей технологии оценим температуру смешения разнотемпературных потоков теплоты в представленной схеме реконструкции типового проекта для тех же исходных температурных параметров, указанных для схемы типового проекта (см. выше).

Изменение температуры охлаждения источника теплоты по длине нагрузки (значения Tгр1

,Tгр2,Tгр3, взяты из графиков температур для T₄=108^oC)
G₁ = (Tгр3 + Tгр4)/2 = (71+108)/2 = 89,5^oC;
G₅ = (G₁ + Tгр2)/2 = (89,5+53)/2 = 71,25^oC;
G₆ = (G₅ + Tгр1)/2 = (71,25+54)/2 = 62,23.
При передаче тепловой мощности R от потока жидкости с температурой G к потоку с температурой T_гр изменение эксергии по длине нагрузки от "термического трения" составляет
D₁/R = (T₄ - G₁)/T₄ = (108 - 89,5)/108=0,17; D₁ = 0,17R.

D₂/(R - D₁) = (G₁ - G₅)/G₁ = (89,5 - 71,25)/89,5 = 0,2; D₂ = 0,17R.

D₃/(R - D₂) = (G₅ - G₁)/G₅ = (71,25 - 62,23)/71,25 = 0,13; D₃ = 0,11R.

D₄/(R - D₃) = (G₆ - T₀)/G₆ = (62,23 - 38)/62,23 = 0,39; D₄ = 0,35R.

Отсюда видно, что в интервале между точками смешения 5 и 6 фиг. 2 разнотемпературных потоков теплоты доля эксергетических потерь на трение составляет
D₃/R = 0,11,
где величина потерь эксергии определяется
Δ_5,6 = G₅- G₆ = 71,25-62,23 = 9,02^oC.
Определим величину плотности потока эксергии через эксергетический вектор Умова в потоке воды при изменении ее температуры на 9,02^oC в окружающей среде 27^oC

Оценка показывает, что плотность потока эксергии 1,13•10⁶ [Вт/м²] в первом контуре нагрузки потребителя бесследно исчезает.

Таким образом, вариант экономии денежных затрат потребителя, осуществляемый техническими средствами при активном энергосбережении теплоты потребителем из-за потерь на трение, возникающих при замене массообмена на теплообмен, более целесообразен.

Вполне очевидно, что коэффициенты потерь эксергии, вычисленные для двух конкретных объектов, указывают, что величина сберегаемой энергии потребителем составляет
D = (0,28 - 0,11)R = 0,17R,
где R - проектная величина расчета тепловой мощности потребителя [Гкал/ч].

Однако величина охлаждения потока теплоты, возвращаемого в теплосеть, показывает, что в силу высокой теплоемкости воды плотность потока эксергии в 1000 раз выше солнечной постоянной (1300 [Вт/м²]) - плотности потока солнечной энергии, падающей на нашу планету.

Отсюда следует, что использование обилия нагретой воды, возвращаемой в теплосеть к тепловому двигателю, и трудность снабжения двигателя топливом, относятся к задачам проектирования схем теплоснабжения, включающих устройства, например, электростанции или теплового двигателя, работающие на даровом топливе.

Поэтому в систему реконструкции типового проекта, например в хвостовой части базовой нагрузки в схеме фиг. 2, введен регулятор стока теплоты (РСТ), обеспечивающий понижение и (или) стабилизацию величины температур охлаждения потока теплоты, возвращаемой в теплосеть.

По графическим данным заданной энергосберегающей технологии оценим температуру смешения разнотемпературных потоков теплоты в представленной схеме реконструкции типового проекта с регулятором теплоты (фиг. 2).

Изменение температуры охлаждения источника теплоты по длине нагрузки
G₁ = (T₃ + T₄)/2 = (71 + 108)/2 = 89,5^oC;
G₅ = (G₁ + T₂)/2 = (89,5 + 53)/2 = 71,25^oC;
G₆ = (G₅ + T₅)/2 = (71,25 + 54)/2 = 62,23^oC;
Δ_5,6 = 9,02^oC(см. выше);
G₇ = G₆- Δ_5,6 = 62,23-9,02 = 51,21^oC;
G₇ - T₀ = 51,21 - 38 = 13,21^oC.

При передаче тепловой мощности R от потоков жидкости с температурой G к потоку с температурой T_гр изменение эксергии по длине нагрузки от "термического трения" составляет
D₁/R = (T₄ - G₁)/T₄ = (108 - 89,5)/108 = 0,17; D₁ = 0,17R;
D₂/(R - D₁) = (G₁ - G₅)/G₁ = (89,5 - 71,25)/89,5 = 0,2; D₂ = 0,17R;
D₃/(R - D₂) = (G₅ - G₆)/G₅ = (71,25 - 62,23)/71,25 = 0,13; D₃ = 0,11R;
D₄/(R - D₃) = (G₆ - G₇)/G₆ = (62,24 - 9,02)/62,24 = 0,39; D₄ = 0,33R;
D₅/(R - D₄) = (G₇ - T₀)/G₇ = (51,21 - 38)/51,21 = 0,25; D₅ = 0,16R.

Отсюда следует, что при заданной энергосберегающей технологии (T₄-T₀) преобразования энергии эффективность использования утилизации потока теплоты (Q^эф) из-за уменьшения внутритермического трения, возникающего при массообмене разнотемпературных токов потока теплоты, находится в диапазоне тепловой мощности потребителя, (Q_п) охлаждающая система которого соответствует значению
Qэфп

= (0,17÷0,28)R.
Следует иметь в виду, что, сохраняя топливо (вещество с большим содержанием эксергии), предназначенное для производства электроэнергии, сберегаем топливо как основной источник эксергии. В то время как утилизацию отходов теплоты, получаемой в процессе преобразования энергии, относим к физической работе любого теплового двигателя.

В способах потребления потока теплоты: графического (Г), типового проекта (П), реконструкции типового проекта (РП), реконструкции типового проекта с регулятором стока теплоты (РСТ) и компромисса (К) определим эксергетическую температурную функцию ηiк

для каждого из этих вариантов энергосберегающих технологий.

Эксергетические температурные функции
ηгк

= (T₄- T₀)/T₄ = (108-38)/108 = 0,64;


ηрстк= [T₄-(G₇- T₀)]/T₄ = (108-13,21)/108 = 0,88;
ηкк = (T₄- T₁)/T₄ = (108-54)/108 = 0,5.
Известно, что коэффициент полезного использования энергии КПИ₁ численно равен 0,37 [4]. При его определении в числителе просуммированы электричество и теплота, а в знаменателе - теплота сгорания всех видов топлива и эквивалентный вклад от гидроэнергии.

КПИ₁ = (η_эл + ηQ2

)/Q_т = 0,37,
где η_эл = 0,28 - топливная доля теплоты, передаваемая по линии электросети;
ηQ2 = (1-η_эл) = 0,72 - топливная доля потока теплоты, подлежащая утилизации;
Q_т - теплота сгорания всех видов топлива и эквивалентный вклад от гидроэнергии.

Для теплообменника полезным действием является нагрев одного потока за счет охлаждения другого. В системе преобразования энергии процесс охлаждения теплового двигателя адекватен процессу нагрева центрального теплового пункта (ЦТП) потребителя, утилизирующего отходы теплоты, получаемой в процессе преобразования энергии. Поэтому изменение температуры встречных потоков в системе охлаждения теплового двигателя и в системе теплопотребления потока теплоты можно представить как произведение передаваемой теплоты и КПД цикла Карно, когда потери теплоты отсутствуют.

Этот КПД имеет вид (ηTО,i2/

)
ηTО2= [T₄/(T₄-T₀)]•[(T₀-T_ср)/T₀]=(1/ηiк)(ΔT_i/T_i),
где T_ср - температура окружающей среды (принимаем -15^oC);
(T₀ - T_ср)/T₀= (311 - 258)/311 = 0,17; (T₁ - T_ср)/T₁=(337 - 258)/337 = 0,23;
[(G₇ - T₀) - T_ср]/G₇ = (289,21 - 258)/289,21 = 0,11
Здесь T_i[^oK], ηiк - см. выше

Варианты топливной доли утилизируемого потока теплоты, подводимой по линии теплосети к нагрузке потребителя

7. Варианты полезного использования топливной доли утилизируемого потока теплоты, реализуемой потребителем для отопления зданий и потребностей в горячей воде

Полезность той или иной реконструкции отражается эксергетическим коэффициентом η₂, который растет по мере изменения схемы. Он характеризует снижение затрат первичной энергии и показывает возможности энергосбережения.

Варианты полезного использования энергии

Из приведенного сопоставления вариантов энергосберегающих технологий следует, что потребление потока теплоты, осуществляемое с помощью технических мероприятий, повышает КПИ₁ энергии от уровня 0,16 до уровня 0,37, если потребитель использует регулятор стока теплоты.

Однако половина топлива используется с КПИi1

, в то время как другая с половиной ηQ,i2/ , поэтому общее значение использования топлива принимаем равным КПИi2.
Коэффициент полезного использования топлива

Экономия топлива по вариантам энергосберегающих технологий

Коэффициенты экономии топлива к вариантам энергосберегающих технологий.

Коэффициент для случая реконструкции типового проекта без регулятора стока теплоты (Kэ,iт

):

Коэффициент для случая реконструкции типового проекта с регулятором стока теплоты (KPCT,iт)

Сравнивая соотношения Q_T ^э,i и K_T ^РСТ,i видим, что коэффициенты экономии топлива графического значения и типового проекта функциональных схем способов потребления потоков теплоты совпадают. Это означает, что при выдаче потребителю одинаковой теплоты реконструкция типовых проектов потребления потоков теплоты в сравнении с типовыми позволяет потреблять в 1,2 - 1,4 раза меньше топлива. Но для этого потребитель теплоты должен обеспечить сравнительно небольшое отличие потоков эксергии (T₄-T₀).

Исходя из того что экономия топлива энергосберегающих технологий определяется вариантами охлаждения теплового двигателя, осуществляемыми путем утилизации потребителем с КПИ₁ = 0,37Q_т отходов теплоты, получаемых в процессе преобразования энергии, перенос центра тяжести энергосберегающих мероприятий способа потребления потока теплоты на реконструкцию центрального теплового пункта с регулятором стока теплоты - вполне технически оправданный путь к энергосбережению, при этом величина экономии топлива соответствует значению Qэт

= (0,14÷0,17)Q_т/
Источники информации:
1. Потоки энергии. -М.: Наука, 1988. Е.И.Янтовский, Серия "Наука и технический прогресс".

2. График температур воды, обязательной для потребителей 5-ого района теплосети Мосэнерго.

3. Расчет расхода тепла и тепловой мощности московского опытного завода пневмоаппаратуры и пневмоавтоматики, Гипростанок инв. N 01717 от 28.04.93, абонент 529/30, 5-й район Мосэнерго, Москва.

4. Мелентьев Л.А. Энергетический комплекс СССР. -М.: Экономика, 1983.

5. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник 3-е издание, -М.: Стройиздат, 1983, В.И.Манюк и другие.

6. Информационный Бюллетень "Энергосбережение" 1/95, Москва, департамент энергетики и энергосбережения Правительства Москвы.

7. ABOK. HAUS TECHNIK, 5/6 1994.

Способ потребления потока теплоты относится к области утилизации отходов теплоты, получаемых в процессе преобразования энергии, и предназначен для нагрева одного потока за счет охлаждения другого. В системе преобразования энергии процесс охлаждения теплового двигателя адекватен процессу нагрева центрального теплового пункта (ЦТП), утилизирующего отходы теплоты, получаемой в процессе преобразования энергии. Функциональная схема реконструкции типового проекта потребления потока теплоты включает уменьшение внутритермического трения, возникающего при массообмене разнотемпературных потоков, что позволяет использовать ЦТП более эффективно, т.е. рациональность использования потребителем утилизируемого потока теплоты определяется по зависимости Qэфп

= (0,17 - 0,28)R, где R - проектная величина расчета тепловой мощности потребителя, в то время как величина экономии топлива, сжигаемого в процессе преобразования энергии, соответствует Qэт = (0,14 - 0,17)Q_т, где Q_т - теплота сгорания всех видов топлива. 2 ил.

Способ потребления потока теплоты включает сопротивление потоку источника теплоты, осуществляемое путем противоточного смешения источника теплоты с охлажденным потоком теплоты, поступающим с выхода на вход базовой нагрузки, элементы которой с различными КПД собраны в схему деления постоянного потока источника теплоты на разнотемпературные потоки, смешиваемые до значений графических параметров охлаждения потока теплоты, возвращаемой в теплосеть, отличающийся тем, что, с целью эффективности использования утилизируемого потока теплоты, достигаемой за счет уменьшения внутритермического трения, возникающего при массообмене разнотемпературных потоков в нагрузке потребителя, и экономии топлива, сжигаемого в процессе преобразования энергии тепловым двигателем, в базовой нагрузке потребителя, элементы которой с различными КПД собраны в схему деления потока с его усилителем так, что элементы нагрузки с малыми КПД установлены перед большими, при этом в пиковом режиме температуры охлаждения источника теплоты, возвращаемой в теплосеть, регулятор блокировки предыдущего элемента, например, разрывает свою гидравлическую линию, в то время как в провальном - соединяет, рациональность использования потребителем утилизируемого тепла определяется по зависимости
QэфП

= (0,17 - 0,28)R,
где R - проектная величина расчета тепловой мощности потребителя,
а величина экономии топлива соответствует:
QэT = (0,14 - 0,17)Q_T,
где Q_т - теплота сгорания всех видов топлива и эквивалентный вклад от гидроэнергии.