Актуальність проблеми
Системи гарячого водопостачання є одними з найбільших споживачів
енергії. Їх сумарна теплова потужність становить близько 20% від загальної
потужності систем енергоспоживання в Україні.
У той же час сучасні системи
гарячого водопостачання, як промислових підприємств, так і житлово-комунального
сектору, відзначаються дуже низькими термічними і, особливо, ексергетичними
коефіцієнтами корисної дії (ККД). Таке становище викликане двома основними
причинами: низьким температурним рівнем процесів і дуже малою часткою корисно
використаної теплової енергії від витраченої на приготування гарячої води. Тому
проблема розробки принципових схем високоефективних систем гарячого водопостачання
є актуальною на даний час. Для знаходження шляхів суттєвого підвищення
енергоефективності систем гарячого водопостачання необхідно спочатку провести їх
детальний термодинамічний аналіз та за його результатами розробити принципові
схеми нових високоефективних систем.
Енергетична ефективність та термічний ККД
Житлово-комунальний сектор та нетехнологічне гаряче водопостачання промислових об`єктів (мал. 1).
Мал. 1. Принципова схема систем гарячого водопостачання ЖКС
та нетехнологічного гарячого водопостачання промислових об`єктів:
а) паралельне підключення; б) змішане підключення.
1 – система гарячого водопостачання; 2 – система опалення;
3 – водонагрівач системи гарячого водопостачання; 4 – водопідігрівач системи
гарячого водопостачання І ступеня; 5 – водопідігрівач системи гарячого
водопостачання ІІ ступеня.
Приймаємо: середню температуру гарячої води у місцях споживання
після змішування tгс = 37°С; середню температуру води після споживання
tск = 32°С; середню температуру водопровідної води tв = 10°С.
Тоді (1, 2):
де ηt — термічний ККД циклу; hгт, hск, hв — ентальпії води при температурах tгт, tск, tв, відповідно, взяті з [3]; tгт — температура технологічної гарячої води; tск — температура скидної гарячої води; tв — температура водопровідної води; а — середній коефіцієнт корисного використання потенціалу гарячої води (тепловитрати трубопроводів до змішування) а = 0,60 ÷ 0,85.
Технологічне гаряче водопостачання промислових підприємств (мал. 2).
Мал. 2. Принципова схема системи технологічного гарячого водопостачання
промислових об`єктів:
1 – система технологічного гарячого водопостачання;
2 – водопідігрівач системи гарячого водопостачання І ступеня; 3 – водопідігрівач
системи гарячого водопостачання ІІ ступеня.
де hгт, hск, hв — ентальпії технологічної води, відпрацьованої та водопровідної води; а — коефіцієнт корисного використання потенціалу гарячої води (втрати теплоти трубопроводами при барботажі пари та при розпилюванні) — 0,4 ÷ 0,7. Житлово-комунальний сектор та нетехнологічне гаряче водопостачання промислових підприємств в умовах використання вторинних енергоресурсів (ВЕР) гарячої води у поверхневому теплообміннику для попереднього нагріву водопровідної води (мал. 3).
Мал. 3. Принципова схема систем гарячого водопостачання ЖКС та
нетехнологічного гарячого водопостачання промислових об`єктів в умовах
використання ВЕР:
а) паралельне підключення; б) змішане підключення
1 – система гарячого водопостачання; 2 – система опалення; 3 – водонагрівач
системи гарячого водопостачання; 4 – водопідігрівач системи гарячого водопостачання
І ступеня; 5 – водопідігрівач системи гарячого водопостачання ІІ ступеня;
6 – водопідігрівач попереднього нагріву водопровідної води скидною водою системи
гарячого водопостачання.
Складемо термодинамічний баланс процесу змішування гарячої та водопровідної води перед споживанням:
де х — дольова кількість холодної водопровідної води при змішуванні.
Термодинамічний баланс для теплообмінника попереднього нагріву:
де hск — ентальпія скидної води після теплообмінника попереднього нагріву; hпн — ентальпія підігрітої води після теплообмінника попереднього нагріву. Маючи значення hпн за [3], знаходимо tпн. Тоді
Технологічне гаряче водопостачання промислових підприємств з використанням ВЕР скидної гарячої води у поверхневому теплообміннику для попереднього нагріву водопровідної води (мал. 4).
Мал. 4. Принципова схема систем технологічного гарячого водопостачання промислових
підприємств з використанням ВЕР скидної води у поверхневому теплообміннику для
попереднього нагріву водопровідної води:
1 – система технологічного гарячого
водопостачання; 2 – водопідігрівач системи гарячого водопостачання І ступеня;
3 – водопідігрівач системи гарячого водопостачання ІІ ступеня; 4 – водопідігрівач
попереднього нагріву водопровідної води скидною водою системи гарячого водопостачання.
Термодинамічний баланс теплообмінника попереднього нагріву
виконують за (4).
Термодинамічний баланс теплообмінника попереднього нагріву:
В разі достатньої кількості пари внутрішнього кипіння для
нагріву води до tгт друга ступінь нагріву гострої пари не потрібна.
Тепловий
баланс для теплообмінника ІІ ступеня підігріву гострою парою:
Житлово-комунальний сектор та нетехнологічне гаряче водопостачання промислових підприємств з використанням вторинних енергоресурсів скидної гарячої води з застосуванням теплового насосу (мал. 5).
Мал. 5. Принципова схема системи централізованого гарячого водопостачання (з
використанням ВЕР відпрацьованої води за допомогою теплового насосу) для
житлово-комунального сектору:
1 – система гарячого водопостачання; 2 – добовий
бак скидної води; 3 – добовий бак гарячої води; 4 – пусковий електронагрівач;
5 – випарник теплового насосу; 6 – компресор; 7 – конденсатор теплового насосу;
8 – дросельний вентиль.
де ψ — опалювальний коефіцієнт теплового насосу.
Технологічне гаряче водопостачання промислових підприємств з використанням вторинних енергоресурсів скидної гарячої води з застосуванням теплового насосу (мал. 6).
Мал. 6. Принципова схема систем централізованого гарячого водопостачання
(з використанням ВЕР відпрацьованої води за допомогою теплових насосів) для
промислових підприємств:
а) температура гарячої води менша за температуру холодоагента у конденсаторі
теплового насосу; б) температура гарячої води більша за температуру холодоаген-
та у конденсаторі теплового насосу;
1 – система гарячого водопостачання; 2 – швидкісний протитечійний охолоджувач
скидної води; 3 – швидкісний протитечійний нагрівач водопровідної води;
4 – випарник теплового насосу; 5 – компресор; 6 – конденсатор теплового насосу;
7 – дросельний вентиль; 8 – теплообмінник догріву гарячої води парою вторинного
кипіння.
В умовах, коли потужність теплового насосу достатня для нагріву
води до tгт, в додатковому теплообміннику немає потреби, технологія приготування
гарячої води здійснюється схемою, що наведена на мал. 6а і ηt
вираховується за (9).
В умовах, коли кількості теплоти, отриманої за рахунок
ВЕР скидної води з використанням теплового насосу, недостатньо для нагріву
водопровідної води до tгт, технологія приготування гарячої води
здійснюється за схемою, що зображена на мал. 6б з використанням для догріву
водопровідної води, що надходить після теплового насосу, в пароводяному теплообміннику
з використанням пари вторинного кипіння.
Термодинамічний баланс такого теплообмінника
де hтн — ентальпія водопровідної води після теплового
насосу.
Значення коефіцієнту енергетичної ефективності (мал. 6а) визначається
за (9).
Висновки
- На базі теоретичного обґрунтування перспектив створення високоенергоефективних систем гарячого водопостачання розроблено принципові схеми таких систем, що базуються на використанні низькотемпературного потенціалу скидної води для попереднього нагріву водопровідної води за допомогою високоефективних поверхневих теплообмінників.
- Для більш глибокого використання ВЕР скидної води запропоновано застосування теплових насосів.
- Розроблено методику визначення енергетичних показників існуючих і запропонованих систем гарячого водопостачання для житлово-комунального і промислового комплексів.
- Проведений на основі розробленої методики енергетичний аналіз підтвердив результати попередніх досліджень і показав, що у запропонованих системах досягається підвищення енергетичного ККД у 3,5÷9 разів.
Використана література
- Алабовский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача. — К.: Вища шк., 1990. — 256 с.
- Крутов В. И. и др. Техническая термодинамика. — М.: Высшая школа, 1981. — 440 с.
- Вукалович М. П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 400 с.
- Малкін Е. С., Приймак О. В., Фуртат І. Е. Термодинамічний аналіз ефективності систем гарячого водопостачання. — К.: Будівельні матеріали та санітарна техніка. — 2004. — вип. 19.
- СНиП 2.01.01–82 Строительная климатология и геофизика. — М.: Госкомитет СССР по делам строительства. — 1983.
- Справочник по проектированию промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Отопление, водопровод и канализация. ч. II (под общей редакцией И. Г. Староверова). — Госстройиздат. — 1964. — 487 с.
- Стаскевич Н.А. Справочное руководство по газоснабжению. — М.: Гостоптехиздат. — 1960. — 875 с.
- Справочник энергетика промышленных предприятий. т. 3. Теплоэнергетика. — М.–Л.: Энергия. — 1965. — 52 с.