Расчет потери тепла в трубопроводах централизованного теплоснабжения

Введение

Быстрая урбанизация, вызванная переоценкой промышленности, привела к появлению идеи нахождения средства для потребностей человека в дополнение к системам социального обеспечения, таким, как: водоснабжение, канализационные сети, общественный транспорт и система централизованного теплоснабжения. Первая система централизованного теплоснабжения была построена в Локпорте (Нью Йорк, США) в 1877 г. [1]. С тех пор она распространилась по различным странам Европы. С начала 20 в. системы централизованного теплоснабжения все больше и больше использовались в Германии, Дании, Голландии, Бельгии и особенно в Швеции и СНГ. Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения расходуют большое количество топлива на уровне экономики страны в рамках предоставления воды для нагрева-охлаждения и горячей воды для бытовых нужд. Данным системам уделено большое внимание в литературе [1– 4].

Централизованное теплоснабжение важно не только из-за более эффективного использования источников энергии, но также из-за того, что потребности в получении энергии удовлетворяются регулярно, в достаточной мере и дешевле чем при других способах. В системе централизованного теплоснабжения, тепло, вырабатываемое в отопительной установке, поставляется потребителям на обширные участки. Таким образом, она служит для отопления региона, состоящего из множества зданий, и поставки горячей воды из центра. Система централизованного теплоснабжения переносит тепло от отопительной установки при помощи первичной сети трубопроводов через подстанцию на вторичную сеть трубопроводов, откуда оно, в результате, передается потребителю. В данной системе, потери энергии и эксэргии образуются в распределительных трубах вследствие переноса тепла на большие расстояния. Потери энергии и эксэргии из-за трубопровода имеют сильное воздействие на экономические преимущества систем теплоснабжения. По этой причине потери тепла в трубопроводах необходимо снизить до минимального уровня.

Анализы энергии и эксэргии были проведены для того, чтобы показать, где в процессах происходят выходы энергии, определенные как потери энергии и эксэргии. Потери энергии и эксэргии можно истолковать, прежде всего, как увеличение расхода топлива. Анализ энергии основан на первом законе термодинамики, который связан с сохранением энергии. Анализ эксэргии основан на втором законе термодинамики. Многие исследователи предполагают, что термодинамические показатели процесса лучше всего оценить при помощи анализа эксэргии [6].

С точки зрения термодинамики, эксэргия определена как максимальная работоспособность, которая может быть выработана системой, или потоком масс или энергией, в момент, когда она приходит в равновесие с соответствующей окружающей средой. В отличие от энергии, эксэргия не подлежит закону о сохранении (за исключением идеальных или обратимых процессов). Иногда, эксэргия расходуется или сводится к нулю из-за необратимостей в каких-либо реальных процессах. Расход эксэргии во время процесса пропорционален энтропии, создаваемой из-за необратимостей, связанных с данным процессом. Анализ эксэргии является методом, который на – ряду со вторым законом термодинамики использует принципы сохранения масс и сохранения энергии для анализа, проектирования и усовершенствования энергетических и других систем.

Эксэргетический метод является полезным инструментом для достижения цели более эффективного использования энергоресурсов, позволяя определить расположения, типы и истинные величины расходов и потерь [7].

В данном исследовании, проанализированы потери энергии и эксэргии в тепловой сети города Алматы. Из-за того, что трубопроводная сеть является достаточно длинной, в системе теплоснабжения происходят значительные потери энергии и эксэргии.

Описание и анализ системы

Система состоит из сети ответвленных трубопроводов для распределения тепла от отопительной установки до потребителя. Неотъемлемым элементом такой системы является трубопровод, который переносит энергию и является источником потерь тепла. Другой важной

частью системы являются теплоцентрали, где тепло переносится от высокотемпературной среды в низкотемпературную среду, что приводит к снижению качества тепла. При анализе, трубопроводная сеть состояла из изолированных труб диаметром от 65 до 250 мм. Длина исследуемого участка трубопроводной сети составляла 12 км.

Баланс энергии

В соответствии с Рисунком 1, тепло, поставляемое потребителю, равняется

Qi  Wi  Qloss  Qc

(1)

где Qi показывает тепло, переданное воде от отопительной установки, Wp – работу, которая была выполнена насосом для циркуляции горячей воды через трубопроводы, Qc, тепло, предоставленное для потребителей и Qloss указывает потери тепла в трубопроводной сети.

Рис. 1. (a) Иллюстрация системы централизованного отопления и (b) поперечное сечение канала

Трубы находятся в канале под землей (рис. 1). Потери тепла, образованные в канале с двумя трубами в определенный момент времени, показаны ниже с использованием модели, изображенной на рис. 1. Согласно данной модели, потери тепла, образованные в канале на единицу длины, выражаются следующим образом





Q  2

i

Tw  Ta  

(2)

loss



 R

• Rb
• Rc
• Rs 

где QLoss -потери тепла в сети труб, Rs – сопротивление почвы, Rb – сопротивление отверстия канала, Rc – сопротивление канала, Ri – сопротивление изоляционного материала, Ta – ежедневная средняя температура наружного воздуха.

Температура трубопровода предположительно равняется среднему арифметическому Ts и Tr, Tw = (Ts + Tr)/2. Ta – среднее значение температуры наружного воздуха и R – тепловое сопротивление. На анализируемом трубопроводе была использована стекловата (ki = 0.65 Вт/(м*К)) в среднем 8 мм толщиной. Канал был изготовлен из смеси камня и бетона. Длина замкнутого контура канала СС, толщина канала tc и теплопроводность kc составляли 5 м, 10 см,

2.5 Вт/(м*К), соответственно. Теплопроводность влагосодержащей почвы ks составила 0.91

Вт/(м*К).

Баланс эксэргии

Баланс эксэргии можно записать, используя рис. 1

Ex,i  Ex,w

 Ex,lossA  Ex,lossB  Ex,lossC Ex,c

(3)

где: Ex, i эксэргия горячей воды, Ex,w электрическая эксэргия, заданная для насоса (Ex,w = Wp), Ex,c эксэргия, предоставленная потребителям. Потери эксэргии, Ex, loss A, Ex, loss B, Ex, loss C, объяснены ниже.

Потери эксэргии, образованные в результате потери тепла Ex,loss A.

Потери тепла во время переноса горячей воды через трубы приводят к потерям эксэргии. Из известного уравнения Ex, loss A может быть определено как

 T0 

Ex,lossA

 1 

 T

Qloss

w 

(4)

Потери эксэргии из-за переноса воды Ex,loss B

Тепло переносится от отопительной установки потребителям при помощи горячей воды с определенной величиной энтальпии. Для создания потока воды используются насосы с электрическим приводом. Электрическая энергия представляет собой чистую эксэргию, используемую для преодоления сопротивления потока в трубопроводной сети, через которую поток преобразуется в тепло. Эксэргия тепла при температуре Tw гораздо ниже, чем эксэргия работы насоса Wp. В результате потери эксэргии [5] составляют

Ex,lossB

 Wp

• Tw  T0 Tw

 Wp

 T0 W

Tw

p

(5)

Потери эксэргии во время переноса тепла через теплообменники Ex,loss C

Перенос тепла через теплообменник является необратимым процессом, следовательно, происходят потери эксэргии. Общие потери эксэргии состоят из необратимого переноса тепла и потерь, образующихся из-за трения обоих потоков. В соответствии с наблюдениями Котаса [8], потери эксэргии из-за трения потоков жидкости (небольшой удельный объем) относительно малы, таким образом потери эксэргии во время переноса тепла равняются

 1 1 

Ex,lossC

 T0 Qc  T  T 

(6)

 w cw 

Температура обоих потоков воды в теплообменнике изменяется, и поэтому уравнение (6) представлено в дифференциальной форме. Расчет потерь эксэргии для теплообменника также можно представить в интегральной форме, с температурами обеих жидкостей (Tw и Tcw = Tc,s + Tc,r)/2) определенными средней термодинамической температурой [5].

T  Qc SQ

m

 Qc

T

 0 dQ

Ti T

(7)

где Tc,r -температура возвратной от потребителя воды, Tc,s -температура подаваемой потребителю воды

Рис. 2. Потеря тепла в зависимости от толщины изоляции.

Результаты и обсуждение

Потери энергии в трубопроводах, которые используются для распределения тепла от отопительной установки к теплообменникам систем отопления, очень важны. Потери тепла в трубопроводах были рассчитаны при помощи средних значений ежедневной температуры наружного воздуха. Потери тепла из-за сети Qloss составляют приблизительно 8,62% энергии, вырабатываемой отопительной установкой, Qi.

Толщина теплоизоляционного материала является наиболее эффективным фактором, который приводит к снижению потерь тепла в трубах. Потери тепла снижаются с увеличением толщины изоляции. В частности, увеличение до 20 см приводит к значительному снижению потерь тепла. Изменение потерь тепла из-за толщины изоляции можно увидеть на рис.2.

Снижение составит приблизительно 25% потерь тепла, если использовать изоляцию для труб толщиной 20 см вместо 8 см. Более того, длина замкнутого контура канала обладает эффектом снижения потерь тепла, хотя данный эффект очень мал.

Заключение

В данном документе исследованы потери энергии и эксэргии, возникающие в системе централизованного теплоснабжения; в отношении температуры подаваемой и обратной воды. Анализ потери эксэргии, возникающей во время переноса тепловой энергии потребителям, показывает, что данная потеря велика и в первую очередь зависит от температуры горячей воды. Общие потери эксэргии увеличиваются на 0.75 % с увеличением температуры подаваемой воды примерно на 10 оС, что является аргументом в пользу температуры обратной воды. Данный анализ показывает, что эта потеря во время переноса тепла в сети централизованного теплоснабжения может быть снижена за счет снижения потребления электроэнергии во время транспортировки горячей воды к потребителям и путем снижения потери тепла в трубопроводах. Данные потери тепла необходимо держать на минимальном уровне, что возможно при увеличении толщины теплоизоляции труб.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бакер Д.K., Шериф С.A. Оптимизация теплопередачи в тепловых сетях с применением метода поиска, Int. J. Energy Res. 21 (1997) 233–252.
2. Бенониссон A., Бон Б., Равн Ф., Оперативная оптимизация системы теплоснабжения, Energy. Convers. Mgmt. 36 (5) (1995) 297–314.
3. Бон Б. Переходные потери тепла в городских тепловых сетях, Int. J. Energy Res. 24 (2000) 1311–1334.
4. Густавсон Л., Карлсон A., Отопление домов в городских районах, Energy 28 (2003) 851–875.
5. Поредос A., Катановский A., Потери эксэргии в качестве основной оценки тепловой энергии,
6. Energy Convers.Mgmt. 43 (2002) 2163–2173.
7. Розен M.A., Леон В.Х., Ле M.Н., Моделирование и анализ построения систем, которые объединяют когенерации и централизованного отопления и охлаждения.
8. Динсер И., Роль эксергии в энергетической политики, Energy Policy 30 (2002) 137–149.
9. Котас T., Анализ работы ТЭЦ методом эксэргии, second ed., Krieger Publishing Company, USA,1995.