Výpočty výroby a dopravy tepla

Transkript

1 Výpočty výroby a dopravy tepla

2 Definice Teplárenství je odvětví národního hospodářství a energetiky, které zajišťuje zásobování teplem. Pro vytápění, Klimatizaci, Ohřev teplé vody (TV) Krytí potřeby tepla pro technologické účely

3 Systém centrálního zásobování teplem (SCZT) Zdroj tepla Síť (napáječe a přípojky) Předávací odběratelské stanice

4 Potřeba tepla pro vytápění a ohřev teplé vody (TV) v SCZT Určení: tepelným příkonem kw, MW odběrem tepla za určité časové období GJ/d, GJ/měsíc, GJ/ r

5 Stanovení energie a výkonu Energie je schopnost konat práci nebo vyvolávat změny. Udává se v J (kj, MJ, GJ) nebo ve Wh (kwh, MWh, GWh) Výkon je energie za čas, udává se ve W (kw, MW, GW) Wathodina [Wh] je energie, která je předána výkonem výkon jednoho wattu za jednu hodinu. 1W 1 J s 1Wh 3600J 3, 6kJ J 1Wh 1. h s J s s 1Mh 3, 6GJ

6 Entalpie páry T Bod 1, voda o tlaku p1, teplotě t1 má entalpii i1 Ohřev za stálého tlaku do bodu, voda ne mezi sytosti, tlak p1, teplota todpovídá bodu varu za daného tlaku má entalpii i=i Ohřev z bodu do bodu 3, vypařování, t=t3=k, p=k přivádí se latentní teplo výparné S

7 Entalpie páry T 4 Bod 3, sytá pára, má entalpii i3=i Další ohřev přehřívání páry za stálého tlaku na požadovanou teplotu 1 3 i f p, t q 1 i i1 i i1 q 3 i3 i i i l 3 q S 34 i4 i3 i4 i

8 Parní tabulky T Parní tabulky pro vodu a vodní páru V podstatě popisuje křivky 1- a 3-4 pro různé tlaky v určitých teplotních intervalech Parní tabulky pro vodu a páru na mezi sytosti V podstatě popisuje křivky -3 pro různé tlaky nebo teploty S Pro každý tlak odpovídá teploty bodu varu a naopak.

9 Parní tabulky T 4 V úseku -3 je směs nasycené vody a nasycení vodní páry 1 x 3 Slengové označení mokrá pára Je určená tlakem nebo teplotou a součinitelem suchosti páry x x m m m S i x i ( i i ). x

10 Parní tabulky Pro vodu a páru na mezi sytosti, řazení podle tlaku p t i i v v s s L 3 Pro vodu a páru na mezi sytosti, řazení podle teploty t p i i v v s s l 3 Pro vodu a vodní páru p1 p p3 p4 t i v i v i v i v

11 Parní diagram i-s diagram Moliérův diagram Křivka pro x=1 Křivky pro x=konst Křivky pro p=konst Křivky pro t=konst

12 Pro tlak p1 a teplotu t1 určíme intalpii i1 Adiabatická expanze Pro tlak p určíme intalpii i a suchost x

13 Dělení potřeby tepla Podle závislosti na teplotě okolí: závislá na teplotě ovzduší t e (vytápění, větrání, klimatizace) prakticky nezávislá na teplotě ovzduší: (ohřev TV, příprava pokrmů, výrobní účely)

14 Charakteristické veličiny maximální velikostí tepelného příkonu Q max kw časovým vývojem příkonu v jednotlivých letech dlouhodobého plánovaného období průběhem potřeby tepla během dne, delšího období a zejména během roku dobou využití maximálního příkonu Q max resp. roční potřebou tepla Q r.

15 Potřeba tepla pro vytápění V podstatě jde o dodávku tepla do objektů k nahrazení tepelných ztrát povrchem budov. Při výpočtu se stanovuje: Maximální tepelný příkon při nejnižší venkovní teplotě t e C dané oblasti Určuje se dle přílohy ČSN Pro oblast Ostravy je t e = -15C Průběh okamžitého tepelného příkonu v průběhu otopného období, respektive v průběhu roku. Celková potřeba tepla pro vytápění v topném období. Tepelné ztráty jsou v zásadě stanoveny jako prostup tepla stěnou a podrobně u jednotlivých budov lze je vypočítat podle ČSN Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění.

16 Tepelný výkon (okamžitý): Tepelné ztráty Q S i k i t t kw is e Maximální tepelný výkon: Q max V q 0 t t is e Kde V obestavěný prostor 0 3 m q W m 3 K 1 tepelná charakteristika budovy t is t e střední vnitřní teplota vzduchu uvnitř budovy C nejnižší venkovní teplota dané oblasti C

17 Tepelná charakteristika budovy 0 q f S V e S e S k i k i i Povrch je rozdělen podle provedení. Základ: zděná, prosklená, střešní a půdní plocha

18 Kategorie budov podle ČSN I. kategorie - budovy s malým administrativním vybavením II. kategorie - budovy obchodu s velkým administrativním vybavením a budovy pro účely vědy, kultury a osvěty III. kategorie - budovy administrativní, školní, hotelové a obytné VI. kategorie budovy zdravotnické a předškolní výchovy

19

20 Okamžitý denní příkon Střední denní venkovní teplota t ds t t. t Začátek otopného období: pokles střední denní venkovní teploty je ve po sobě následujících dnech pod 13C Konec otopného období: stoupne-li teplota ve po sobě následujících dnech na 13 C. Jiná dohoda je 3 dny po sobě, příp. i jiné teploty.

21 Okamžitý tepelný příkon Průběh průměrné teploty za léta leden -,0 C červenec 18,7 C

22 Průběh trvání tepelného příkonu. t t em em t e t e kde t em - je teplota venkovního vzduchu, při níž se začíná vytápět (např. Ostrava +13C) t e - teplota při sledované hodnotě poměrného počtu dnů t e - nejnižší venkovní teplota pro danou oblast (pro OVA -15C) n n Kde n je délka otopného období v dané oblasti. (např. pro Ostravu 9 dnů) n počet dnů v roce ve kterých je teplota okolního vzduchu nižší než daná teplota t e. Závislost poměrného tepelného rozdílu a poměrného počtu dnů

23 Maximální potřeba tepla Q V q max 0 t t kw is e Okamžitá potřeba tepla pro vytápění Q t V q 0 t t kw is e Po úpravě Q t Q max t t is is t e t e pro dané hodnoty t is a t e Q Q a b t max t e

24 Průběh trvání teplot a tepelného příkonu pro vytápění v otopném období Q Q Cmax Q tmax t e Q tstř Q C Q t Q tmin Q K 9 n počet dnů 365

25

26 Spotřeba tepla Plocha pod diagramem Q t t t e em Q t d n GJ Q t Q stř GJ

27 Potřeba tepla pro ohřev teplé užitkové vody (TV) Určuje se podle ČSN Ohřívaní užitkové vody. stavby pro bydlení stavby občanského vybavení stavby pro průmysl a zemědělství Např. výpočtová potřeba tepla pro přípravu TV na 1 obyvatele v obytných budovách se stanoví: ve všední den = 4,5 kwh/os. den o sobotách nedělích a svátcích = 6 kwh/os. den v letním období je možno hodnoty zvýšit až o 33 %. Směrný tepelný příkon lze na 1 obyvatele počítat z rovnice (i = počet obyvatel) q 3 n 0,4 15i kw / os

28 Směrná spotřeba tepla pro přípravu TV v průmyslových závodech podle charakteru provozu: s čistým provozem q= 0,9 kwh/zam. Směnu s běžným provozem q = 1,5 kwh/zam. směnu s nečistým nebo prašným q =,0 kwh/zam. směnu s velmi nečistým a prašným q =,5 kwh/zam. směnu s horkým a čistým provozem q = 1,75 kwh/zam. směnu s horkým a prašným provozem q = 4,0 kwh/zam. směnu

29 Instalovaný výkon zdroje tepla a volba počtu jednotek ČSN Celkový tepelný výkon teplárny je dán maximální potřebou tepla: - pro technologii maximální spotřebu, - pro vytápění potřebu tepla nejnižší výpočtové teplotě (Ostravsko 15 C), - pro ohřev TV potřebu tepla v maximálně obsazené směně. Celkový výkon jednotek musí odpovídat spotřebě páry k výrobě maximálního množství elektrické energie a maximální potřebě tepla dodávaného do rozvodu.

30 Instalovaný výkon zdroje tepla a volba počtu jednotek ČSN Při poruše největší jednotky (kotle turbíny příp. výměníku tepla) musí zbývající jednotky zajistit plnou dodávku tepla pro technologické účely, průměrnou hodinovou potřebu tepla k ohřevu TV a dodávku tepla pro vytápění ve výši, odpovídající průměrné denní venkovní teplotě v chladnějším měsíci (pro Ostravsko leden, střední teplota v měsíci C). Přitom není nutno zajistit dodávku elektřiny podle instalovaného výkonu. Jednotky se volí tak aby jejích využití bylo co nejvyšší. Špičkový výkon má být zajištěn co nejlevnějším zařízením (nízké využití instalovaného výkonu).

31 Q KGJ 1 K1 K KGJ K1 Q - - KGJ 3 K KGJ 3 KGJ KGJ

32 Q K3 KGJ 1 K1 K K Q - KGJ K1 K3 KGJ 1 KGJ 1 KGJ

33 Dimenzování rozvodů tepla

34 Určení množství média Výpočet vychází: Ze zadaného maximálního tepelného výkonu + ztráty v rozvodu Ze zvoleného média a jeho parametrů pro páru: pro vodu: P P max max m p ( ip ik ) kw m v 4,1868.( tv 1 tv) kw

35 Výpočet průměru potrubí z doporučené rychlosti z požadovaného tlaku na konci rozvodu (parní rozvod) z tzv. ekonomického průměru d m p 4 w d 4m p w

36 Doporučené rychlosti nízkotlaké parovody (do 0, MPa) m/s středotlaké parovody (0,1 MPa) 0-50 m/s vysokotlaké parovody (nad 1 MPa) m/s Rozvody vody 0,5 m/s nižší hodnoty platí pro vnitřní rozvody a přípojky.

37 Kondenzátní potrubí Návrat veškerého kondenzátu d d k p w w p k 0, 0,44 Pokud se nevrací všechen kondenzát, pak výpočet pro předpokládané množství s volbou rychlosti jako pro vodu 0,5 m/s

38 Z požadovaného tlaku na konci potrubí Určí se přípustná tlaková ztráta a z ní nejmenší průměr potrubí p z L d l ek w Pa Pro předběžný výpočet: pro dálkové rozvody s osovými kompenzátory: pro členitý terén a kompenzátory typu U 1,1 1,15 L L lek L lek 1, 1, 5 L

39 4 d m w Pa d m l L 0,8106 p 5 ek z m p m l L 0,8106 d 5 z ek w d m p 4

40 Korekce na změnu hustoty U parních sítí pro p < 10 kpa U parních sítí pro p > 10 kpa = konst konst tlaková ztráta v úseku 1 určená za předpokladu izotermické expanze páry: z parametrů v bodě 1: p z parametrů v bodě : z p z p p p p z1 p p pz p

41 Z ekonomického průměru

42 Parametry potrubí Podle vypočteného průměru volba: normalizovaného průměru DN (dříve Js) pro normalizovaný tlak PN (dříve Jt) Tlak PN je nutno stanovit s ohledem na maximální přípustný tlak podle teploty média (ČSN ) Například: Bude-li v potrubí pára v přetlaku 1 MPa o teplotě 30 C nelze použít potrubí PN10, protože max. dovolený přetlak je 0,63 MPa. Musí se použít PN16.

43

44 Hydraulický výpočet parních potrubí U parních potrubí se dopravuje nositel tepla přirozeným tlakovým spádem přetlakem na začátku potrubí. - výpočet tlakové ztráty v jednotlivých úsecích - kontrola tlaku na vstupu do odběrních míst Není nutno brát ohled na výškové rozdíly potrubí, ani na zatížení potrubí vlastní tíží media či spotřebu energie na dopravu.

45 Hydraulický výpočet vodních potrubí Nutno určit čerpací práci s ohledem na výškové rozdíly 1 z1 g g kg J p H g c p H g c p Rozdíl absolutních tlaků na trase, resp. tlak v bodě je: Pa p H g c c p p 1 z g c c člen

46 Tlakový diagram horkovodní sítě

47 Tlakové ztráty v primárním i vratném potrubí tlakovou ztrátu ve výměníkové stanici teplárny, resp. v horkovodním kotli kotle tlakové ztráty v primárním, resp. vratném potrubí tlakové ztráty ve spotřebitelské výměníkové stanici v nejvzdálenějším místě rozvodu -

48 Stanovení parametrů oběhového čerpadla Oběhové čerpadlo musí překonávat tlakové ztráty v rozvodu, které představují ztrátu energie, která musí být dodána oběhovým čerpadlem. Mezi body V a S (Zdroj a nejvzdálenější bod) p v v c g H gv ps s c g H gs p zv p zv s ZtrátaVS zdroje Ztráta úseku V-S

49 Mezi body S a NB (neutrální bod) zs v zs gnb NB NB gs v v p p H g c p H g c p Ztráta úsek S - Zdroj Ztráta poslední VS Po úpravě: c c c c H H g h c c p p s v v NB gv gnb m s v NB v

50 Měrná práce čerpadla Y Č 1 p zv s p zs v p zv p zs Spotřeba energie příkon elektromotoru k pohonu čerpadla P el č m v el Y Č 1000 kw

51 Postup hydraulického výpočtu V měřítku se nakreslí výškový profil trasy od zdroje, k nejvzdálenějšímu místu. Postupně se vypočítají tlakové ztráty v jednotlivých úsecích (např. na obrázku v místech odběratelských stanic 1 až 5) a nakreslí se průběh tlakových rozdílů v jednotlivých úsecích podle Bernoulliho rovnice. Zakreslí se tlakové rozdíly v primární i v poslední odběratelské předávací stanice a tlakový diagram se uzavře Určí se tlak v neutrálním bodě tak, aby převýšení nad prahem zdroje, bylo takové, že nedojde k poklesu tlaku v potrubí pod tlak syté páry při dané teplotě. Stanoví se minimální měrná práce čerpadla Y Č.

52 Neutrální bod Pokud jsou odběratelské předávací stanice tlakově závislé, nesmí obrys zásobovaného objektu (viz body 1 až 5) protnout čáru statického tlaku ve vratném potrubí. V tomto případě by došlo k podtlaku ve výše položeném místě potrubí v objektu a přetržení oběhu vody a odpaření vody, vytvoření parního polštáře. Tlak v neutrálním bodě je nutno udržovat na požadované výši- ten je při všech provozních stavech konstantní, tj. i při odstavení oběhových čerpadel. Tlak musí být vyšší než je tlak syté páry, odpovídající dané teplotě (např. při 150C min. absolutní tlak 0,476 MPa.)

53 Tepelné ztráty v rozvodu Q z k 1m t W L t i e Součinitel přestupu tepla z media do stěny trubky Pro páru lze určit z rovnice Pro vodu Součinitel tepelné vodivosti Teplonosné potrubí ocel - měď w i 143 d 0,79 0,16 v i 3373 w 1 0, 014 0,85 i t i W m K W m 365W m 1 1 K K 1 1 W m K 1 - plasty např. síťovaný polyetylén 0,38W m 1 K 1

54 Izolační hmoty = f(t) 1 - skleněná vlna, hustota cpaní 105kg/m 3 čedičová vlna, hustota cpaní 110 kg/ m 3 3 minerální vlna, hustota cpaní 00 kg/ m 3 4 rohože z minerální vlny, hustota cpaní kg/ m desky z minerální plsti, hustota cpaní kg/ m 3, rohože z minerální plsti WP, HP, HPH a PP 6 - desky z minerální plsti 150, rohože z minerální plsti VPD a PPP, pásy z minerální plsti 7 - pěnový beton, měrná hmotnost 70 až 330 kg/m pěnový beton, měrná hmotnost kg/m pěnový beton, měrná hmotnost kg/m 3 10 předizolované trubky, hmotnost pěny 65kg/m 3.

55 Součinitel přestupu tepla na vnější straně e s K s C s 4 Tz 100 T z Te 100 T e 4 Volná konvekce: Nucené podélné obtékání: K t 1,163 z t d z e 0,5 Nucené kolmé obtékání: W m K 1 K w 11,63 d Klidný vzduch: 0,7 vzd 0,4 z K w vzd 3, 3,4 0, 4 d z K 9,4 0, 053 t t z e

56 Součinitel prostupu tepla Vzhledem k tomu, že hodnota součinitele přestupu tepla z media do stěny trubky je vůči součiniteli řádově stonásobně vyšší, ovlivní součinitel k jen nepatrně. Obdobně pak tepelný odpor trubky ocelové, měděné nebo hliníkové (plášťová trubka) Potom je možno při výpočtu součinitele prostupu tepla použít zjednodušený vztah: k ln 1 m 1 d 1 i1 i d i d e z W m 1 K 1

57 Izolace potrubí tovární - Potrubí je z výrobního závodu potaženo asfaltovou nebo jinou izolací se skleněnou plstí (novější lapaténové a epoxydehtové izolace). Na trase se izolují ručně jen svary a poškozena izolace. Tento druh především v ČR. izolace na trase Potrubí se montuje na trase holé a po svaření se izoluje celý úsek potrubí speciálními izolačními vrstvami.

58 Aktivní protikorozní ochrana potrubí Spočívá v tom, že z vnějšího zdroje stejnosměrného proudu (usměrňovače) se napojí speciálně upravená soustava anodového uzemnění potrubí. Proud jde z anodového uzemnění půdou do povrchu potrubí a působí tak opačným směrem proti bludným proudům. Každý atom povrchu potrubí má nadbytek elektronů a nezúčastňuje se korozních reakci.

59 Potrubí z plastických hmot Tyto materiály musí splňovat následující požadavky: nerozpustnost plynu nízká drsnost stěn odolnost proti půdní korozi a bludným proudům minimální tloušťka stěn větší než mm odolnost proti vnějšímu tlaku tlakem zeminy odolnost proti mechanickému poškození snadná manipulace spojování a dosažení plné těsnosti spoje odolnost proti nízkým teplotám (pod bodem mrazu až do -0C).

60 Plastické hmoty na potrubí Polyvinylchlorid novodur je nejrozšířenější. Dá se dobře lepit a svařovat Polyetylén rozvětvený - lineární LPE Dobré spojování svařováním. Lepení je velmi obtížné LPE snáší vyšší teploty, je tvrdší a méně pružný. 3) Polypropylén přibližně stejné vlastnosti jako polyetylén. Možno použít až do teplot 150 C.

61 Hospodárná tloušťka izolace Zvolíme povrchovou teplotu potrubí a z rovnic pro prostup tepla se určí tloušťka izolace a zvolí se případně podle výrobce (zejména pro kratší úseky potrubí]. Hospodárná tloušťka izolace se stanoví obdobným způsobem jako hospodárný průměr potrubí na základě minimálních provozních nákladů, tj. pro různé tloušťky izolace se stanoví: pořizovací náklady na izolaci a z nich odpisy Kč/r. Obvykle se bere životnost izolace rovna životnosti potrubí a tím i stejné odpisové procento náklady na ztracenou energii v důsledku tepelných ztrát Kč/r. součet obou dodává roční náklady na izolaci různé tloušťky.

62 Diagram určení hospodárné tloušťky izolace

63 Účinnost rozvodu tepla r Q Q 1

64 Děkuji Vám za pozornost A omlouvám se, pokud jsem nudil. 64