Современные технологии теплосбережения

Тепловая энергия в АПК вырабатывается за счет электроэнергии, природного газа, угля, топливных брикетов и жидкого топлива. Доля нетрадиционных и возобновляемых источников тепловой энергии в АПК области мала. К ним обычно относят солнечную и ветровую энергию, энергию Земли, использование отходов зерноперерабатывающих предприятий (лузги подсолнечника, цветочной оболочки гречихи и других крупяных культур), опилки и отходы деревоперерабатывающих предприятий, дрова, солому, биогаз и др.

Стоимость 1 кВт×ч тепловой энергии, получаемой от различных теплоносителей, сведена в таблицу 1. Здесь же приведены сведения об используемом для этих целей оборудовании.

Из таблицы 6.1 видно, что наибольшая стоимость 1 кВт×ч теплоты получается от преобразования в тепло электрической энергии. Далее по убыванию стоимости тепловой энергии располагаются: жидкое топливо, уголь и топливные брикеты, природный газ. В связи с этим основным направлением экономии денежных ресурсов является использование более дешевых энергоносителей.

Таблица 6.1 – Стоимость 1 кВт×ч тепловой энергии, получаемой от различных теплоносителей

Теплоноситель	Оборудование, используемое для генерирования тепловой энергии	Стоимость 1 кВт·ч тепловой энергии, руб.
1 Природный газ	Газовые котельные с паровыми и водогрейными котлами; газовые воздухонагреватели; автоматические газовые котлы небольшой мощности (10…150 кВт); газовые водонагревательные колонки	0,057
2 Уголь и топливные брикеты	Котельные на твердом топливе; бытовые твердотопливные водонагревательные котлы; бытовые печи на твердом топливе	0,135
3 Жидкое топливо (печное, бытовое, мазут)	Котлы паровые и водогрейные на жидком топливе	0,214
4 Электроэнергия	Трубчатые и другие электронагреватели, электродные паровые и водяные котлы, электрокалориферы	1,00
5 Нетрадиционные теплоносители	Печи длительного горения на дровах, прессованной соломе, опилках, лузге и др.	Данные отсутствуют

 

В результате успешного осуществления беспрецедентной программы газификации Орловской области 1996…2001 годов существенно возросли возможности получения тепловой энергии за счет сжигания газа. Поэтому значительно более дорогая тепловая энергия, получаемая от преобразования электрической энергии 

Рисунок 1– Сравнение затрат на создание и эксплуатацию вариантов систем отопления МАПП “Троебортное» (укрупненные показатели): 1 – система на твердом топливе; 2 – на жидком топливе; 3 – на газообразном топливе; 4 – электрическая система отопления; 5 – на газообразном топливе без затрат на строительство газопровода

Суммарные затраты, тыс. руб.

2

4

5

4

3

3

2

0

1

10000

15000

5000

5

Годы эксплуатации

1

 5) наименьшие затраты на эксплуатацию теплоснабжения соответствуют системе на природном газе. Это обусловлено минимальным количеством обслуживающего персонала, минимальными затратами на ремонт оборудования и минимальной стоимостью топлива, затрачиваемого на получение единицы тепловой мощности. В результате данная система уже к середине второго года эксплуатации окажется дешевле электрической, а к середине 7-го – дешевле системы отопления на твердом топливе даже в случае, если вся стоимость строительства газопровода будет отнесена на нее;

6) линия 5 на рисунке 1 соответствует затратам на создание и эксплуатацию системы отопления на газовом топливе без учета строительства газопровода. Она обладает наилучшими экономическими показателями.

Сжигания жидкого топлива, должна везде, где это возможно, заменяться тепловой энергией, получаемой от сжигания природного газа. При строительстве в области нефтеперегонного завода отходы нефтепереработки могут создать предпосылки получения еще более дешевой или более доступной тепловой энергии.

Уголь, как топливо, связанное с использованием трудоемких ручных работ, а также оборудования с низким КПД, всюду, где есть газовые сети, целесообразно заменять газовым топливом.

Так как потребление энергии на технологические цели намного больше, чем в жилищно-коммунальном хозяйстве, то больший эффект следует ожидать от технологического энергосбережения.

Значительный эффект может обеспечить теплоизоляция зданий, особенно уже действующих. Она, должна быть направлена на сокращение тепловых потерь через стены наружных ограждений, пол и крышные покрытия.

Выбора топлива и оборудования системы теплоснабжения на примере терминала «Троебортное»

Исходные данные:

Суммарная мощность систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения                                                              –  900 кВт,

Расчетная температура отопительного периода          – 26⁰С,

Средняя температура за период                                       – 3⁰С,

Расчетная температура вентиляции                              – 15⁰С,

Продолжительность отопительного периода, суток      – 214

температура горячего водоснабжения                         – 60⁰С,

Коэффициент снижения нагрузки ГВС в летний период – 0,8,

Годовой расход условного топлива, т                              – 371

 Анализировались известные системы теплоснабжения на твердом, жидком и газообразном топливе, а также электрические. Стоимость самого оборудования, его монтажа, энергоносителей и строительства необходимых помещений рассчитывалась по рыночным ценам, сложившимся на 10.12.01 г.

 В стоимость оборудования анализируемых систем теплоснабжения включены отопительное и вентиляционное оборудование, наружные тепловые сети, котельные. Для системы отопления на твердом топливе дополнительно включены площадка для хранения топлива и средства транспортировки угля; на жидком топливе – мазутное хозяйство; на газовом топливе – газопровод диаметром 63 мм протяженностью 20 км. В стоимость оборудования электрической системы теплоснабжения дополнительно включена трансформаторная подстанция мощностью 1 МВт.

Результаты  расчетов представлены в таблице 6. 2 и на рисунке 6.1. Из приведенных данных следует:

1) наименьшие затраты на создание системы отопления соответствуют системе на твердом топливе. Это обусловлено самой низкой суммарной стоимостью оборудования, строительства и монтажа. И хотя стоимость оборудования и монтажа для системы отопления на природном газе еще ниже, чем для данной системы, она проигрывает ей за счет необходимости строительства газопровода. Однако эксплуатация систем теплоснабжения на твердом топливе наиболее трудоемка, требует авральных работ при заготовке и перевозке топлива, механизации его загрузки и вывоза шлака.

4) наибольшие затраты на создание относятся к системе отопления на жидком топливе. Основной вклад здесь вносит мазутное хозяйство (площадка, емкости хранения мазута, система разогрева мазута и его подачи). При замене мазута на печное или дизельное топливо, стоимость данной системы отопления может быть существенно снижена, но сильно увеличатся затраты на эксплуатацию по статье «Стоимость энергоносителей»;

Таблица 6.2

Технико-экономические показатели различных систем теплоснабжения МАПП

Технико-экономические показатели, тыс.руб.	На твердом топливе	На жидком топливе	На природном газе	Электрическая
Стоимость оборудования	3220	8900	2900	3900
Стоимость монтажа	966	1500	870	1170
Стоимость строительства	2100	2300	7000	3100
Годовые затраты на энергоносители	435	482	211	1671
Эксплуатационные затраты	474	586	294	509
Суммарные затраты за 1 год работы	7195	13768	11075	10350
Суммарные затраты за 3 года работы	9013	15904	12085	14710
Суммарные затраты за 5 лет работы	10831	18040	13095	19070

Из всего сказанного следует, что система теплоснабжения на газовом топливе наиболее предпочтительна. Нестандартные подходы к ее созданию позволяют дополнительно улучшить ее экономические показатели. Из этих подходов отметим: децентрализацию системы, т.е. отсутствие единой котельной и наружных тепловых сетей, применение высокоэффективного газоиспользующего оборудования, модульное построение локальных подсистем с возможностью выключения из работы отдельных модулей. Ликвидация только централизованной котельной и наружных тепловых сетей дает экономию более 2-х млн. рублей, сокращает численность обслуживающего персонала до 2…3 человек. Это иллюстрируется рисунком 2.

Значительные затраты на создание централизованной системы теплоснабжения связаны со строительством котельной (24%) и наружных тепловых сетей (8%). Эти затраты отсутствуют при использовании локальных систем на базе существующего высоконадежного оборудования.

Этот вариант обеспечивает снижение стоимости системы до 3,57 млн. рублей и уменьшение годовых затрат на эксплуатацию и топливо до 360 тысяч рублей.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с котлами автономного теплоснабжения малых предприятий.

2. Определить их основные технические характеристики и данные внести в таблицу 3.

3. Дать качественную оценку и выбрать наиболее энергосберегающий, качественный котел.

 

 

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВЫХ КОТЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МАЛЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

 

Таблица 6.3 ­ Сравнительные характеристик котлов

№№ п\п	Наименование показателя	Наименование теплогенератора
		КНГ-18 РФ	Demir Dokum kombi Турция	Domina – C24 Италия	Ю.Корея	ГОП-1
1	Назначение
2	Схема котла
3	Мощность
4	Тип топки
5	Циркуляция теплоносителя
6	Тип насоса
7	Основные элементы котла
8	Устройства защиты
9	Технологичность
10	Гарантийный срок
11	Стоимость
12	Соотношение цена/качество

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

РАСЧЕТ И ИСПЫТАНИЕ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА (воздушного конденсатора).

Цель работы: повышение уровня знаний в вопросах теплопередачи и приобретение навыков экспериментального исследования, работы эле­ментов холодильных машин.

 

Задачи работы.

1. Изучение конструкции воздушного конденсатора.

2. Испытание воздушного конденсатора при работе холодильной машины для определения его коэффициента теплопередачи.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В холодильных машинах применяются водяные (кожухотрубные и кожухозмеевиковые), воздушные и водо-воздушные (оросительные и испарительные) конденсаторы. Конденсация пара холодильного агента осуществляется за счет передачи теплоты в окружающую среду.

Передача теплоты от одной среды (пара) к другой (воде или воздуху) осуществляющаяся через разделяющую поверхность (стенку труб) называется теплопередачей. Теплопередача включает в себя теплоотдачу от более горячей среды (пара) к стенке, теплопровод­ность стенки, теплоотдачу от стенки к более холодной среде (воде или воздуху).

Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность передачи теплоты и численно равен количеству теплоты, которое передаётся через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

В целях экономии пресной волы все чаще осуществляется переход от конденсаторов с водяным охлаждением к воздушным. В воздушных конденсаторах основное термическое сопротивление сосредоточено, как правило, со стороны воздуха. Однако при высокой степени наруж­ного оребрения и интенсификации внешнего теплообмена внутреннее тепловое сопротивление, со стороны хладагента, может приближаться к наружному. Основными направлениями интенсификация теплообмена со стороны воздуха являются: применение оребренных поверхностей опре­деленных форм и размеров, турбулизация потока воздуха. Повышение коэффициента теплоотдачи (и соответственно теплопередачи) со стороны воздуха можно получить путем уменьшения диаметра трубок и ша­га ребер. Первое для наружного теплообмена имеет меньшее значение, т.к. площадь поверхности труб составляет обычно б - 10 % от общей площади наружной оребренной поверхности.

Конструктивно такие аппараты состоят из нескольких секции, соединенные последовательно калачами и параллельно - коллекторами. Секции представляют собой плоский оребренный змеевик из медных или стальных труб диаметром от 6 до 20 мм. Ребра стальные или алюминиевые, обычно прямоугольной формы. Шаг ребер не менее 1 мм, в про­тивном случае происходит быстрое загрязнение теплопередающей по­верхности. Пар хладагента подводится сверху к первой секции или к паровому коллектору, жидкость отводится снизу из последней секции или жидкостного коллектора. При расчете воздушных конденсаторов возникает необходимость определения коэффициента теплопередачи от пучка оребренных труб. Здесь расчетные зависимости имеют более сложный характер, чем для гладкотрубных пучков. Это обусловлено влиянием формы, размеров, шага ребер, их тепловой эффективности.

При передаче тепла от капельной жидкости (α₁), через твёрдую стенку к газу (α₂), суммарное термическое сопротивление  определяется по формуле 7.10 (см. холодильную технику).

где α₁, α₂ - коэффициент теплопередачи соответственно от капельной жидкости к внутренней поверхности трубы и от наружной поверхности трубы к газу (воздуху). Наибольший вклад в суммарное термическое сопротивление вносит последний член , но не один, а иногда на два порядка больше первого члена . Обычно повысить α₂ удаётся за счёт увеличения скорости движения воздуха, и в этом случае используют оребрение со стороны газа (воздуха).

Тогда коэффициент теплопередачи при давлении теплового потока к неоребрённой поверхности стенки можно определить по формуле:

                      (7.1)

где F_н – наружная оребрённая поверхность.

        F_вн – внутренняя оребрённая поверхность.

 

 

Описание лабораторного стенда

Рис.7. 1. –  Схема лабораторного стенда: 1 – холодильная машина с воздушным конденсатором; 2 –камера с водяным баком; 3, 4 – психрометры; 5 – термометры; 6 – испаритель, 7 - насос.

7

Стенд для проведения лабораторной работы включает в себя (рис. 7.1): холодильную машину с воздушным конденсатором 1, бак теплой воды вставленный в корпус установки (2), водяной насос (7), соединительную арматуру и контрольно-измерительные приборы 3, 4,.

 

Холодильная машина (рис.7.2) состоит из ротационного компрессора (2), воздушного конденсатора (13), испарителя (7), фильтра осушителя (3).

 

 

 

Рис.7.2. Схема лабораторной холодильной машины на основе бытового оконного кондиционера: 1- корпус кондиционера; 2 - компрессор ротационный; 3 – фильтр осушитель; 4 – капиллярная трубка; 5 – пульт управления; 6 – камера охлаждения воздуха; 7 – трубчатый испаритель; 8 – вентилятор типа «беличье колесо»; 9- 10-система регулировки воздушного потока; 11 -электродвигатель; 12 - вентилятор пропеллерный; 13 – воздушный конденсатор; 14 – рабочее окно (живое сечение) конденсатора. 

 

Воздушный конденсатор (рис.7.3.) с принудительной циркуляцией воздуха (с вентилятором) состоит из Z секций, соединенных параллельно калача­ми. Секция представляет собой последовательно расположенные оребренные трубки диаметром d. Ребра алюминиевые прямоугольной формы с шагом u. Пары хладагента подводятся сверху, жидкость отводится снизу. Площадь наружной поверхности воздушного конденсатора равна площади поверхности змеевика плюс суммарная площадь листов, выпол­няющих роль ребер.

Секции

Калачи

Ребра

Трубки

Рис.7.3. Воздушный конденсатор

Последовательность выполнения работы

 

1. Ознакомиться с конструкцией воздушного конденсатора с помощью штангенциркуля и линейки замерить (размеры конденсатора:

Z - количество секций, шт.;

N - количество трубок в секции, шт.;

d - диаметр трубок, м;

D - средний диаметр изгиба калача, м;

L - длина трубок, к;

d_К - диаметр трубки калача;

n - количество ребер, шт.;

u - шаг ребер, м;

Н - высоту ребер, м;

S - ширину ребер, м.

δ - толщина стенки трубки, м.

  2. Проверить уровень воды в баке 8.

3. Включить насос 7 обеспечивающий циркуляцию воды.

4. Включить автоматику регулирования температуры воды в баке, блокированную с электронагревателем.

5. Включить холодильную машину.

6. Измерить скорость течения воздуха w через живое сечение конденсатора с помощью анемометра.

7. Температуру воздуха на входе t₁ и выходе t₂ из конденсатора замеряем термометрами.

8. Провести измерения указанные в пунктах 6 и 7 три раза че­рез каждые 5 минут после установления стационарного режима и за­нести их в табл. 7.1;

9. Изменить расход воздуха, подаваемого на конденсатор и произвести замеры согласно п.п. 6, 7 и 8.

10. После окончания измерения выключить установку.

 

Обработка результатов испытаний.

1. Тепловая нагрузка на конденсатор определяется по формуле, Вт:

 

Q_к = G ·с_ср (t₂ -  t₁)                                          (7.2)

 

где G = w· f · ρ - массовый расход воздуха через конденсатор кг/с;

  с_cp - теплоемкость воздуха, Дж./кг К;

  f - живое сечение окна для прохода воздуха, м²;    

  ρ - плотность воздуха, кг/м³;

  w- скорость ветра в сечении конденсатора, измеренная анемометром, м/с;

с_cp и ρ - берутся при средней температуре воздуха в конденсаторе по таблице 7.2.

 

t_cp = (t_{2 +}  t₁) / 2                                            (7.3)

 

2. Коэффициент теплопередачи К определяется по формуле Вт/м²К:

 

  K = Q_К. (F · 8) = Q_К (F · Δt_cp)                                    (7.4)

 

3. Наружная поверхность конденсатора определяется с учётом оребрения, м²

 

F_н = F_TP + 2F_p                                                                  (7.5)

 

где                  F_TP = π d N L Z + π² D d_K N / 4 - поверхность трубок,

 

                  F_P = H B n - (π² d / 4) N - поверхность ребер.

 

         F_ВН = π d_ВН N L Z + (π² D d_ВН N Z) / 2

 

где  d_ВН = d_Н -2δ – внутренний диаметр трубки.

 

t1

t2

tк

tк

Воздух

Процесс конденсации пара хладагента

4. Если величины Δt _б = t_к - t₂ и Δt _М = t_к - t₁ (рис 7.4) незначительно отличаются друг от друга, а их отношение Δt _б / Δt _М < 2, то средний температурный напор можно приближенно определить из выражения:

 

Рис.7.4. Схема определения средней рабочей температуры установки

 

Δt _СР = (Δt _б + Δt _М) / 2.

 

При Δt_Б / Δt_М > 2 средняя разность температур (средний логарифмический температурный напор); определяется по формуле:

 

где                 θ =                                        (7.6)

       

5. Температура конденсации t_к определяется как:

 

t_к = t₂ + 6°С.

 

6. Коэффициент оребрения.

                                        (7.7)

 

Таблица 7.1 Протокол результатов измерений и вычислений

 

№	β	t1, °С	t2, °С	W, м/c	G, кг/c	QК, Вт	F, м^2	θ(Δt СР) °С	К, Вт/м^2К
1
2
3
1
2
3

Инструменты.

 

1. Анемометр

2. Штангенциркуль.

3. Термометры.

4. Линейка.

Форма отчетности.

 

1. Краткое описание лабораторной работы.

2. Схема установки.

3. Результаты измерений и расчетов.

4. Анализ результатов и выводы.

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков его физический смысл?

2. При какой температуре определяют термодинамические свойс­тва воздуха?

3. Для чего применяют наружное оребрение труб?

4. Как влияет скорость воздуха на изменение коэффициента теплопередачи?

5. В каких случаях для расчета коэффициента теплопередачи используют логарифмическую разность температур?

6. Что такое коэффициент оребрения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА»

 

 

 УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ.

1. К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. При выполнении лабораторной работа необходимо помнить, что прикосновение к чрезмерно разогретой поверхности может привести к ожогам.

 

Цель лабораторной работы: изучение процесса лучистого теплообмена и факторов, влияющих на его интенсивность.

Содержание лабораторной работы: экспериментальноеопределение степени черноты тонкой молибденовой проволоки и зависимости значения степени черноты исследуемого образца от температуры.

 

Теоретическая часть

Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты.

Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии.

    Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю.

В природе и технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

В основе большей части расчетных соотношений лучистого теплообмена, используемых в технике, лежит закон Стефана-Больцмана, согласно которому полное количество энергии, излучаемое единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени, пропорционально абсолютной температуре T в четвертой степени [1]

,                                   (8.1)

где E ₀ = q ₀ – поверхностная плотность потока интегрального теплового излучения или излучательная способность абсолютно черного тела, Вт/м²; s₀ – постоянная Стефана-Больцмана, s₀ = 5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴); С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴).

    Закон Стефана-Больцмана может быть применен к серым телам. В этом случае поверхностная плотность потока интегрального теплового излучения серых тел E может быть определена из соотношения

,                             (8.2)

где ε – средняя степень черноты серого тела,

.                                                   (8.3)

    Степень черноты характеризует излучательную способность рассматриваемого тела по сравнению с абсолютно черным и зависит от состояния поверхности тела и ее температуры. Значения степени черноты ε для различных тел находится в пределах от 0 до 1 и приводится в справочной литературе [3].

    Для определения результирующего потока теплового излучения между телами любой формы при произвольном их расположении в пространстве Q _1,2 может быть использовано следующее расчетное соотношение:

,                                (8.4)

где T ₁ и T ₂ – температуры «горячего» и «холодного» тел, T ₁ > T ₂; ε_1,2 – приведенная степень черноты рассматриваемой системы; F _1,2 – приведенная площадь поверхности теплообмена рассматриваемой системы.

    Зависимости для определения приведенных степени черноты и площади поверхности теплообмена для каждого частного случая (определенная форма тел, расположение тел в пространстве и т.д.) приводятся в справочной литературе [3]. К примеру, если лучистый теплообмен происходит между телом, имеющим температуру T₁ и площадь поверхности F ₁, и оболочкой, имеющей температуру T ₂ и площадь поверхности F ₂, через прозрачную среду при отсутствии экранов, то приведенная степень черноты такой системы определяется по формуле

,                                         (8.5)

а приведенная площадь поверхности теплообмена рассматриваемой системы F _1,2  принимается  равной  площади   поверхности     тела, F _1,2 = F ₁.