Расчет количества теплоты с применением эксергетического метода



Разработан альтернативный метод учёта количества теплоты, позволяющий принимать во внимание значение потенциала теплоносителя и, таким образом, производить корректный учёт потребляемого тепла. Также, предложена техническая реализация данного эксергетического метода путём введения дополнительного оборудования в существующую схему теплосчётчика.

Ключевые слова: эксергия, учёт тепловой энергии, количество теплоты, потенциал тепла, теплосчётчик, расход

На территории Российской Федерации есть определенные правила, которые определяют требования к организации учёта потребляемой тепловой энергии. Данный документ называется «Правила учета тепловой энергии и теплоносителя». В нем приведены правила организации учёта отпуска и потребления тепловой энергии и теплоносителей, контроля параметров теплоносителей, таких как: объем, температура, давление, а также технические требования к узлам учета тепловой энергии и теплоносителя.

Так, на сегодняшний день, почти в каждом доме установлен прибор учета теплоносителей — теплосчетчик. Он состоит из первичного преобразователя расхода, датчиков температуры, тепловычислителя. Расходомер измеряет расход горячей воды, поступающей потребителю. Датчики температуры измеряют температуру в подающем и обратном трубопроводах. Тепловычислитель — это встроенное электронное устройство, которое с помощью полученных данных рассчитывает количество потребленного тепла по формуле [4]:

(1)

где G — расход теплоносителя, и — энтальпия, — изобарная теплоемкость, и — температуры на входе и выходе.

Из этой формулы видно, что количество теплоты зависит только от разницы температуры и не зависит от начальных параметров температуры.

Рис. 1. Динамика температуры теплоносителя в трубопроводе

Для начала рассмотрим график изменения температуры в подающем и обратном трубопроводах на примере магистрали «Город-4» города Тольятти (Рис.1) [5]. На данном рисунке показаны температуры в подающем (кривая графика жёлтого цвета) и обратном (кривая графика коричневого цвета) трубопроводах магистрали для декабря месяца 2010 года. По рисунку видно, что температура в подающем трубопроводе на 05.12.2010 была 102, а в обратном трубопроводе 69 , соответственно . 18.12.2010 температуры были 87 и 57 соответственно, . Очевидно, что 05.12.2010 потенциал тела был намного выше, чем 18.12.2010 и требуется большее количество теплоты, чтобы нагреть воду до 102, чем до 87 .

На сегодняшний день система учета теплопотребления не учитывает потенциал тепла, поступающего потребителю. Таким образом, мы считаем, что данный вид учета теплоты является не совсем корректным и необходимо его модернизировать.

В теплоэнергетике существуют такие понятия, как эксергия и анергия. С помощью этих понятий мы объясним альтернативный метод учета теплоты. Вначале рассмотрим определение эксергии, а затем определим, что есть анергия.

Эксергия — это максимальная располагаемая работа, которую могло бы совершить рабочее тело, переходя из начального состояния с параметрами P₁, T₁ в состояние равновесия с окружающей средой, имеющей параметры P₀, T₀, обратимым способом, с единственным источником теплоты — окружающей средой. Анергия — та часть внутренней энергии, которая не может быть преобразована в эксергию. Графически эксергия и анергия изображены на рисунке 2.

Рис. 2. Изображение эксергии в T-S координатах

Для наглядности изобразим изменение эксергии при разных начальных температурах, но при одинаковой разности температур (Рис.3). Видно, что в первом случае эксергия существенно меньше, чем во втором. Можно сделать вывод, что эксергия зависит от начальных параметров процесса, а именно от начальной температуры. Этот фактор очень важен, потому что в нашем случае вода поступает по трубопроводам в наши квартиры не всегда с установленной постоянной температурой.

Рис. 3.. Зависимость E(q) от Т

Возникает вопрос: как произвести учет затрат теплоты на теплоснабжение, используя эксергию? Для этого воспользуемся формулами расчета удельного количества теплоты и удельной эксергии:

(2)

(3)

где, -удельное количество теплоты, получаемое от теплоносителя ,

-удельная теплоемкость теплоносителя ,

-падение температуры теплоносителя ,

-удельная эксергия ,

-температура окружающей среды ,

-удельная энтропия

Произведем подстановку формулы (2) в формулу (3) и получим зависимость удельной эксергии от температуры окружающей среды, температуры теплоносителей на входе и выходе и удельной теплоемкости теплоносителя:

(4)

где, - температура теплоносителя на выходе,

- температура теплоносителя на входе

Умножаем удельную эксергию на расход теплоносителя, получаем итоговую формулу расхода эксергии:

(5)

где, G — расход теплоносителя

Проведем теоретический расчет с конкретными параметрами. Для этого зададимся:

1. Давлением: p=100 кПа
2. Температурой окружающей среды: T₀=293 К
3. Расходом теплоносителя: G=10 кг/с
4. Параметрами низкопотенциального тепла:

T_вых=313 К, S_вых=0,5721 кДж/(кг·К);

T_вх=333 К, S_вх=0,8309 кДж/(кг·К)

dT=20 К, dS=0,2588 кДж/(кг·К)

5. Параметрами высокопотенциального тепла:

T_вых=343 К, S_вых=0,9548 кДж/(кг·К);

T_вх=363 К, S_вх=1,1925 кДж/(кг·К)

dT=20 К, dS=0,2377 кДж/(кг·К)

Для наглядности, изобразим исходные данные на графике в осях T-S (Рис.4):

Рис. 4. Эксергия высокопотенциального и низкопотенциального тепла

Для низкопотенциального тепла имеем:

Начальные параметры:

T₀= 20⁰С = 293 К,

T_вх= 60⁰С = 333 К, T_вых = 40⁰С = 313 К

Количество теплоты, отданное теплоносителем:

(6)

Эксергия:

(7)

Для высокопотенциального тепла имеем:

Начальные параметры:

Т₀= 20⁰С = 293 К,

Т_вх= 90⁰С = 363 К, Т_вых = 70⁰С = 343 К

Итоговые расчеты сведем в таблицу:

Таблица 1

Сравнительная характеристика потенциалов тепла

Низкопотенциальное тепло (600C— 400C) (333 К— 313 К)	Высокопотенциальное тепло (900C— 700C) (363 К— 343 К)
Q=836,4 кДж/с	Q=839,2 кДж/с
E(Q)=77,4 кДж/с	E(Q)=142,5 кДж/с

Таким образом, получаем, что расход количества теплоты условно низкопотенциального и высокопотенциального тепла примерно равны. Однако их эксергии отличаются примерно в два раза. Понятно, что чем выше температура нагрева теплоносителя, тем выше эксергия, а значит, большее количества топлива следует затратить для нагрева до более высоких температур.

Техническая реализация

Что касается технического введения данного метода, то необходимо ввести изменения в схему учета теплоты, используемой в настоящее время, с введением дополнительных сигналов: температуры окружающей среды и удельных теплоемкостей теплоносителей на входе и выходе (рис. 5).

Рис. 5. Предлагаемая схема учета тепла

Вывод: В данной статье мы рассмотрели новый метод учета теплоты, который будет учитывать не только расход и потенциал тепла, но и потенциал тепла. Что касается экономической целесообразности данного метода, то, очевидно, для потребителя он будет выгоден, так как потребитель платит не за разность температур теплоносителя, а именно за потенциал полученного тепла (чем выше потенциал тепла, тем большее количество топливо затрачено до доведения его до соответствующего потенциала). Однако, вероятно, придется адаптировать тарифы для расхода эксергии, так как он значительно отличается от такого понятия, как расход количества теплоты.

Литература:

1. ГОСТ 30494–96. В нем зафиксированы уровни микроклимата в жилых домах. По нему определяются оптимальные и допустимые уровни;
2. Казаков В. Г. Луканин П. В Эксергетические методы оценки эффективности теплотехнических установок- СПб:. 2003;
3. Кириллин В. А. Сычев В. В. Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика –М:.1983;
4. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя-М:. 2003;
5. Шутиков В. И., «Опыт промышленной эксплуатации дифференциально-интегрирующей системы на тепломагистрали Ду-900». ЗАО «Форус», Санкт-Петербург.