Методика расчета потерь теплоэнергии в городских сетях

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 году [1]. С тех пор она распространилась по различным странам Европы. С начала ХХ века 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 идеальныхили 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 наряду 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 были 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 + W₁ = Q_loss + Q_c (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.

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

188

189

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, Q_i.

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 рисунке 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 были 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. Д.К. Бакер, С. A. Шериф, Оптимизация теплопередачи в тепловых сетях с применением метода поиска, Int. J. Energy Res. 21 (1997) 233-252.
2. A. Бенониссон, Б. Бон, Ф. Равн, Оперативная оптимизация системы теплоснабжения, Energy. Convers. Mgmt. 36 (5) (1995) 297-314.
3. Б. Бон, Переходные потери тепла в городских тепловых сетях, Int. J. Energy Res. 24 (2000) 1311-1334.
4. Л. Густавсон, A. Карлсон, Отопление домов в городских районах, Energy 28 (2003) 851-875.
5. A. Поредос, A. Катановский, Потери эксэргии в качестве основной оценки тепловой энергии, Energy Convers.Mgmt. 43 (2002) 2163-2173.
6. M.A. Розен, В.Х. Леон, М.Н. Ле, Моделирование и анализ построения систем, которые объединяют когенерации и централизованного отопления и охлаждения. - 490 с.
7. И. Динсер, Роль эксергии в энергетической политики, Energy Policy 30 (2002) 137-149.
8. T. Котас, Анализ работы ТЭЦ методом эксэргии, second ed., Krieger Publishing Company, USA, 1995. - 380 р.