EKOLOGICKÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE

Transkript

1 EKOLOGICKÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE Mgr. Roman Mendrygal Ing. Rostislav Hegar I Ing. Václav Čížek

2 PODĚKOVÁNÍ Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru věnuje poděkování autorům informačního manuálu Ekologická výroba tepla a elektrické energie. Odborná práce byla realizována za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu CZ.1.07/2.4.00/ Partnerství v oblasti energetiky. 1

3 2

4 OBSAH VÝVOJ VYUŽITÍ TEPLA Z KOMBINOVANÉ VÝROBY ELEKTŘINY A TEPLA PRO ABSORPČNÍ CHLAZENÍ 1. ÚVOD KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE Parní kogenerační jednotky Kogenerační jednotky s plynovou turbínou Kogenerační jednotky s pístovými spalovacími motory TRIGENERACE STROJNÍ CHLAZENÍ Kompresorové chlazení Základní pojmy Tepelná bilance chladícího okruhu Chladiva Sorpční chlazení Základní pojmy Absorpční chladící oběh Princip absorpčního chladícího zařízení voda LiBr, základní komponenty Pracovní dvojice látek v absorpčním oběhu Energetické a látkové bilance absorpčních chladících okruhů Základní vztahy pro bilance Postup při výpočtu bilancí Výhody a nevýhody absorpčního chladícího zařízení ve srovnání s kompresorovým VYUŽITÍ ABSORPČNÍHO CHLAZENÍ V KOMBINACI S KOGENERAČNÍ JEDNOTKOU S PÍSTOVÝMI MOTORY PŘÍLOHY

5 4

6 VÝVOJ VYUŽITÍ TEPLA Z KOMBINOVANÉ VÝROBY ELEKTŘINY A TEPLA PRO ABSORPČNÍ CHLAZENÍ Mgr. Roman Mendrygal, Ing. Václav Čížek, Ing. Rostislav Hegar 1. ÚVOD Ekonomika, ale i ekologie provozu každého tepelného zdroje, je ovlivňována především rozdílnou potřebou tepla v průběhu celého ročního období. Ve vytápěcím období (zima, přechodné období) se využívá kromě tepla pro výrobu elektrické energie i tepla na přípravu teplé vody (dříve teplé užitkové vody TUV) a tepla pro technologické účely, především tepla na vytápění stavebních objektů. V letním období však tato významná část roční tepelné bilance schází. Pro každý tepelný zdroj takto vynucený provoz s proměnným zatížením v průběhu celého roku znamená negativní dopady jak do ekonomiky provozu (nízký modul teplárenské výroby, nižší tepelné účinnosti), tak do ekologie. Řešení tohoto problému se nabízí v doposud málo uplatňované možnosti, kterou je využití tepla určeného pro vytápění v letním a přechodném období ke chlazení. Tohoto tepla lze využít tam, kde postačuje chlad s relativně vyššími hodnotami chladné vody (cca 6 C - 12 C), tj. především pro účely klimatizace, technologická chlazení, chlazení skladovacích prostor a jiné. Výše zmíněnou teplotu lze dosáhnout v absorpčních chladících zařízeních. Zdrojem tepla pro výrobu chladu můžou být i kogenerační jednotky s pístovými spalovacími motory. Kogenerací, chladícími zařízeními s důrazem na absorpční chladící jednotky se zabývá především tato práce. 2. KOMBINOVANÁ VÝROBA TEPLA A ELEKTRICKÉ ENERGIE Výrobu tepla nebo elektrické energie pro zásobování distribučních sítí teplem nebo elektrickou energií můžeme zabezpečovat odděleně (samostatnou výrobou tepla ve výtopnách a samostatnou výrobou elektrické energie v elektrárnách) nebo společně. Pak hovoříme o kombinované výrobě tepla a elektrické energie nebo tzv. kogeneraci v teplárenském zdroji. Samostatná výroba elektrické energie je v ČR realizována prostřednictvím elektráren provozujících kondenzační turbíny. Účinnost výroby elektrické energie v těchto elektrárnách se pohybuje v rozmezí 33 % - 38 %. Výše této účinnosti je závislá především na parametrech admisní páry vstupující do kondenzační turbíny, na druhu paliva spalovaném v parních kotlích, na tom, zda se využívá meziohřevu páry mezi jednotlivými stupni turbíny nebo regeneračních ohříváků napájecí vody parního kotle a jiných provozních hodnotách. Bilanční schéma kondenzační turbíny s její provozní charakteristikou je zachyceno na Obr. 1. Obr. 1 5

7 Tepelná účinnost zdroje tepla (výtopny) při samostatné výrobě tepla je definována jako poměr tepla dodaného z tepelného zdroje na prahu výrobny a tepla v palivu do zdroje vstupujícího. Matematicky pak vztahem: Tato účinnost se při využití kotlů na pevná paliva pohybuje okolo 80 % a při využití klasických kotlů na plynná paliva okolo 90 %. Účinnosti nad 100 % lze dosáhnout jen u kondenzačních kotlů, které využívají kondenzačního tepla spalin, neboť účinnost kotle je vztažena k výhřevnosti paliva a ne k jeho spalnému teplu, které je právě vyšší o teplo kondenzující vodní páry ve spalinách. Tepelná charakteristika kondenzačního kotle při otopném systému 40/30 C zachycuje Obr. 2. Obr. 2 Při kogeneraci neboli kombinované výrobě tepla a elektrické energie se energetická účinnost stanovuje pomocí vzorce: Kde: P el..elektrický výkon z kombinované výroby Q tep tepelný výkon z kombinované výroby Q pa.příkon v palivu Teplo v palivu při kogenerační výrobě se pak srovnává s teplem v palivu stanoveným pro oddělenou výrobu ve výtopně a elektrickou energií v kondenzační elektrárně při stejných výkonech P el a Q tep pomocí vzorce: 6

8 Bilanční toky a ukazatele efektivnosti kogenerační výroby jsou zachyceny na Obr. 3. Obr. 3 Úspora paliva při kombinované výrobě tepla a elektřiny dosahuje výše až 30 % oproti výrobě oddělené při zajištění požadovaných výkonů P el a Q tep. Této úspory lze dosáhnout při teplárenském modulu rovném 0,6 a definovaném jako poměr P el ku Q tep. Úspora v palivu při kogenerační výrobě se pozitivně odrazí i ve snížení emisí škodlivin vznikajících při spalování paliva. 7

9 2.1. Parní kogenerační jednotky U parních kogeneračních jednotek je pracovním médiem přehřátá pára, která se vyrábí v parních kotlích. Kotle mohou spalovat pevná paliva (uhlí, biomasu aj.), kapalná paliva (LTO, TTO, biopaliva aj.) nebo plynná paliva (ZP, koksárenský plyn, bioplyn apod.) Průměrné kvalitativní znaky paliv v ČR zobrazuje tabulka na Obr. 4. Hnací jednotkou, která pohání elektrický generátor je pak: protitlaká turbína, kondenzačně odběrová turbína, parní motor. Bilanční schéma protitlaké turbíny s její provozní charakteristikou je zachyceno na Obr. 5. Obr. 4 8

10 Obr. 5 Bilanční schéma kogenerační jednotky s parním kotlem na tuhá paliva a protitlakou parní turbínou v teplárně je zachyceno v Příloze 1. Elektrický výkon vyrobený parní turbínou závisí především na: vstupních parametrech (tlaku, teplotě) admisní přehřáté páry vstupující do turbíny (čím jsou tyto parametry vyšší, tím vyššího výkonu turbína dosáhne), hltnosti turbíny (množství přehřáté páry vstupující do turbíny v t/hod), protitlaku v turbíně (tlak na výstupu z turbíny čím je tento tlak nižší, tím vyššího výkonu dosáhneme), termodynamické (vnitřní) účinnosti turbíny, účinnosti generátoru, mechanické účinnosti a spojkové účinnosti. Protitlak se u protitlaké turbíny volí s ohledem na požadavky otopného systému nebo požadavky technologie, kterou protitlaká turbína zajišťuje. Vnitřní termodynamickou účinnost turbín udává výrobce turbín. U klasických protitlakých turbín se tato účinnost pohybuje v rozmezí 52,8 % (100 kw turbína) do cca 85 % (20 MW turbína). V dnešní době se protitlaké turbíny stále častěji uplatňují jako náhrada či doplnění stávajících redukčních a dochlazovacích stanic, kdy nejen redukují páru na požadované parametry, ale přitom i vyrábějí elektrickou energii. Těmto malým protitlakým turbínám se říká točivá redukce. Mechanická účinnost protitlakých turbín se pohybuje od cca 92,8 % (100 kw turbína) do 99,55 % (20 MW turbína). Účinnost generátoru (alternátoru) je odvislá od toho, zda je turbína spojena s generátorem přímo (bez převodovky) nebo je vybavena čelní, případně planetovou převodovkou. Při přímém spojení se tato účinnost pohybuje od 98 % (2 MW turbína) do 99, 6 % (100 MW turbína). Například 10 MW turbína dosahuje účinnosti generátoru cca 99 % při přímém zapojení. S planetovou převodovkou je účinnost generátoru při stejném výkonu 97 %, s čelní převodovkou pak jen 96,5 %. Pro nižší parametry páry nebo tam, kde potřebujeme pracovat se sytou párou lze použít pro kogenerační výrobu parního motoru. Ten může pracovat i na přehřátou páru. Parní motor, který pohání asynchronní elektrický generátor může pracovat do protitlaku nebo do kondenzačního provozu. Sytou párou či přehřátou párou je parní motor napájen parními kotly. 9

11 2.2. Kogenerační jednotky s plynovou turbínou Plynová turbína je točivý stroj, který je složen ze tří částí: 1. z axiálního kompresoru pro nasávání venkovního vzduchu a jeho stlačení na obvyklý kompresní poměr, který dosahuje výše 10 až ze spalovací komory, do které je přiváděno palivo (zemní plyn, generátorový plyn, mazut, nafta aj.) a stlačený vzduch z kompresoru. Protože teplota spalin převyšuje C, musí se přivádět vzduch se značným přebytkem, aby se teplota směsi dostala na C, což je teplota únosná pro žáruvzdorný materiál spalovací turbíny. 3. z vlastní turbíny, což je opět rotační stroj s řadou lopatek, ve kterém dochází k expanzi spalin. Z turbíny vystupující spaliny mají teplotu 450 až 600 C, což je teplota využitelná k teplárenským účelům či technologickým účelům ve výměnících spaliny voda. Spaliny vycházející z turbíny se mohou také zavést do spalinového kotle (bez přihřívání, s přihříváním), ve kterém je možno vyrábět páru pro parní turbíny (protitlaké, kondenzačně odběrové, kondenzační). Kogenerační jednotce složené z plynové turbíny, spalinového kotle a parní turbíny se říká paroplynový cyklus. Plynové turbíny se v současné době vyrábějí ve velkém výkonovém rozsahu. Od malých výkonů několika desítek kw (mikroturbíny), přes střední výkony stovky kw až po velké výkony přesahující výš 200 MW. Spalovací turbína, která je na společné hřídeli se vzduchovým kompresorem, alternátorem a pomocným elektromotorem k najíždění celého soustrojí, tedy pohání alternátor a kompresor. Užitečný výkon spalovací turbíny přeměněný v elektrickou energii je proto roven rozdílu vlastního výkonu turbíny a příkonu kompresoru, který dosahuje výše rovné až 70 % celkového výkonu spalovací turbíny. Kogenerační jednotka se spalovací turbínou odpovídá hlavním požadavkům kladeným na špičkové zdroje, kterými jsou: rychlé najíždění a odstavování v řádu několika minut, dobrá účinnost i u kogeneračních jednotek středních výkonů až 35 %. Každé najetí a odstavení turbíny při rychlých startech ze studeného stavu je však spojeno se snížením provozních hodin zkracujících dobu životnosti mezi jednotlivými opravami. Proto jsou doporučeny starty turbíny z teplého stavu. Elektrický výkon plynové turbíny a její elektrická účinnost závisí především na teplotě a tlaku nasávaného vzduchu. Platí obecné pravidlo, že čím vyšší je tlak a nižší teplota, tím vyššího elektrického výkonu se na turbíně dosáhne a naopak. Využitelný tepelný výkon je pak funkcí množství a teploty spalin vystupujících z turbíny a jejich vychlazení ve spalinovém kotli. Spalinový kotel se liší od klasického parního kotle především tím, že má k dispozici menší teplotní spád na straně spalin dosahujících obvyklé teploty C. Spalinový kotel bez přihřívání nemá vlastní ohniště a proto nepotřebuje spalovací vzduch. Spaliny obsahují cca 15 % kyslíku, neboť hoření ve spalovací komoře probíhá s velkým přebytkem vzduchu cca 3,5 z důvodu mezní teploty spalin, kterou snesou lopatky plynové turbíny. U klasického parního kotle bývá teplotní spád mezi spalinami a pracovní látkou (párou) stovky stupňů celsia. U spalinového kotle by měl být tento minimální teplotní spád na konci výparníku a ovlivňující teplotu a tlak páry pro parní turbínu co nejmenší. Čím menší je tento teplotní spád, tím vyšší je parní výkon kotle v (t/hod), ale tím větší vychází výhřevné plochy samotného výparníku, který ovlivňuje velikost celého spalinového kotle. Spalinové kotle se proto v současné době navrhují s kompromisním optimálním tepelným spádem, který se pohybuje v rozmezí od 7 do 15 C. Účinnost spalinového kotle má podstatný vliv na tepelnou účinnost paroplynového oběhu. Účinnost je dána především tzv. komínovou ztrátou (ztráta fyzickým teplem spalin) a ztrátou sdílením tepla do okolí, která však při dnešní kvalitní tepelné izolaci spalinového kotle nedosahuje u jednotek o tepelném výkonu vyšším než 5 MW ani 1%. Přitápění ve spalinovém kotli se použije v případě, když chceme buď zvýšit tepelný výkon spalinového kotle, nebo zvýšit potřebné parametry páry vystupující z kotle a vstupující do parní turbíny. Přitápění se realizuje přídavným hořákem umístěným před vstupem spalin z plynové turbíny do spalinového kotle. Prioritním palivem přídavného hořáku bývá zemní plyn. Obsahují-li spaliny vstupující do spalinového kotle kyslík s obsahem větším než 13 %, nepotřebuje přídavný hořák samostatný spalovací vzduch. Přídavné hořáky, které se konstruují jako mřížové, mají velký regulační rozsah, nízké emise CO a NOx a jsou konstrukčně jednoduché. Na rozdíl od klasických parních kotlů, kde se značná část tepla přenáší sáláním spalin, je u spalinových kotlů přenos tepla realizován téměř výhradně konvekcí, kterou ovlivňuje rychlost spalin a uspořádání výhřevných ploch. Čím je rychlost spalin vyšší, tím vyšší je přestup tepla konvekcí, ale tím vyšší jsou i tlakové ztráty spalinového kotle, které dosahují hodnot cca kpa. Tyto ztráty negativně snižují výkon plynové turbíny (zvýšení tlakové ztráty o 100 kpa snižuje výkon plynové turbíny o cca 0,05 %). Bilanční schéma kogenerační jednotky s plynovou turbínou a spalinovým kotlem je zachyceno v Příloze 2. V porovnání s dieselovými motory se dá u spalovacích turbín dosáhnout podstatně vyšších jednotkových výkonů. V dnešní době přesahujících 200 MW. 10

12 2.3. Kogenerační jednotky s pístovými spalovacími motory Kogenerační jednotky s pístovým spalovacím motorem jsou tvořeny spalovacím motorem, který pohání elektrický generátor a soustavou tepelných výměníků využívajících teplo z chlazení motoru a mazacího oleje (výměník glykol voda nebo voda voda) nebo výfukových spalin (výměník spaliny voda). Spalovací motory jsou ve srovnání se spalovacími turbínami větší a technicky složitější, mají však vyšší tepelnou účinnost. Spalovací motory jsou tepelné stroje, které mění teplo v palivu při spalovacím procesu v mechanickou práci s využitím tlaku spalin na píst pohybující se uvnitř válce. Spaliny vznikající při spalování paliva ve válci mají vysoký tlak a teplotu pohybující se od C na začátku hoření až C na konci expanze. Posuvně vratným pohybem pístu se prostřednictvím ojnice a klikového mechanismu převádí tepelná energie na mechanickou práci (rotační pohyb klikového hřídele spalovacího motoru). Předností spalovacích motorů jsou především rychlé spouštění, stálá pohotovost, vyšší účinnost (u současných vznětových motorů dosahuje cca 45 %), malé vnější rozměry. Mezi nevýhody patří především omezenost horní hranice výkonnosti (cca 35 MW), malá možnost přetížení motoru, nemožnost a spouštění pod zatížením. Základní rozdělení spalovacích motorů: a. Dle pracovního oběhu čtyřdobé pracovní oběh probíhá během 4 zdvihů pístu (dvou otáček klikového hřídele) dvoudobé pracovní oběh realizován během dvou zdvihů pístu (jedné otáčky klikového hřídele) b. Dle použitého paliva motory na kapalná paliva (benzín, nafta, líh, biopaliva) motory na plynná paliva (zemní plyn, bioplyn) motory duální, což jsou v principu vznětové motory se vstřikem cca 10 % dávky nafty k zapálení směsi plynu se vzduchem (základním palivem je zemní plyn, zápalným palivem nafta) motory vícepalivové (pracující s několika druhy kapalných paliv od lehkých po těžké) c. Podle stupně rychloběžnosti motory volnoběžné (se střední pístovou rychlostí pod 6,5 m/s) motory rychloběžné (se střední pístovou rychlostí 6,5 m/s a vyšší) d. Dle plnění pracovního válce náplní motory bez přeplňování (sání vzduchu nebo směsi probíhá pod tlakem vznikajícím při sacím zdvihu pístu ve válci motoru) motory s přeplňováním (přívod vzduchu nebo směsi do válce se děje za pomocí dmýchadla, které vytváří přetlak zvyšující měrný výkon motoru) e. Dle způsobu tvoření směsi s vnějším tvořením směsi (směs je tvořena mimo pracovní válec z par snadno odpařitelného kapalného paliva se vzduchem nebo plynu se vzduchem) s vnitřním tvořením směsi (pracovní směs je tvořena uvnitř pracovního válce spalovacího motoru rozprášením paliva do válce pod vysokým tlakem, do kterého je palivo a vzduch přiveden odděleně) Generátor elektrické energie se u kogeneračních jednotek nižších výkonů používá asynchronní, u vyšších výkonů synchronní. Základní schéma kogenerační jednotky se spalovacím motorem je patrno z Obr. 6. Palivo, nejčastěji zemní plyn, tvoří se vzduchem ve směšovači směs, která je nasávána a komprimována turbodmychadlem poháněným spalinami, odcházejícími ze spalovacího motoru. Komprimovaná horká směs je v chladiči směsi (výměníku směs glykol) dopravována do spalovacího motoru. Samotný glykol je ochlazován v uzavřeném vzduchovém chladiči. Odpadní teplo z chlazení směsi, které tvoří cca 8 % z celkového odpadního tepla se do tepelného výkonu jednotky nezahrnuje z důvodu nižších teplot. 11

13 Obr. 6 V případě potřeby ho lze využít pro temperování přilehlých prostor. Druhý bilanční okruh tvoří teplo z chlazení bloku motoru, teplo z chlazení motorového oleje a teplo z odcházejících spalin. Teplo z chlazení bloku motoru a teplo z chlazení oleje je odváděno pomocí glykolu (vody) do výměníku glykol voda (voda, voda), pomocí něhož se ohřívá teplá voda případně horká voda teplovodního (horkovodního) okruhu. Ve výměníku ohřátá voda dále prochází výměníkem spaliny voda, zapojeným s předchozím výměníkem glykol voda (voda voda) do série a sloužící ke konečnému ohřevu teplé (horké) vody pro zákaznický okruh. Elektrická účinnost kogenerační jednotky, která je odvislá od velikosti jednotky, se pohybuje v rozmezí cca 27 % 42 %. Účinnost se stanoví z poměru elektrického výkonu jednotky k teplu přiváděnému v palivu (příkonu paliva). Tepelná účinnost spalovacího motoru se pohybuje v rozmezí cca 43 % - 53 %. Stanovuje se jako poměr tepelného výkonu kogenerační jednotky (součet odpadních tepel z chlazení bloku motoru, chlazení mazacího oleje a chladiče spalin) k příkonu motoru (tepla v palivu). Odpadní teplo spalin přitom tvoří cca 40 % z celkového odpadního tepla. Kogenerační jednotky mohou pracovat: v paralerním provozu, v ostrovním provozu, v záložním provozu. Po nastartování motoru při paralerním provozu a po dosažení nominálních otáček dojde k automatickému fázování generátoru k elektrické síti. Pak kogenerační jednotka pracuje na zadané hodnotě elektrického výkonu paralerně s elektrickou sítí, kde dodává vyrobenou elektrickou energii. Po nastavení jednotky sníží jednotka výkon na tzv. prochlazovaní úroveň a po určité nastavené době se generátor od sítě odpojí, zastaví se motor a v chodu zůstanou pouze elektrické spotřebiče nutné k dochlazení celého soustrojí. Po ukončení prochlazování se po odstavení i těchto elektrických spotřebičů uvede kogenerační jednotka do klidu. V případě nouzového provozu plní kogenerační jednotka funkci záložního zdroje. Jednotka je v pohotovostním stavu. Napájení nouzové rozvodny probíhá z hlavní rozvodny, případně ze sítě. Při výpadku elektrické sítě dochází ke zpětnému připojování k síti. V ostrovním provozu pracuje jednotka autonomně bez připojení k rozvodné síti. Po nastartování kogenerační jednotky dochází k automatickému připojování generátoru k rozvodně, do které je vyveden jeho výkon. Generátor dodává výkon, jehož výše je dána okamžitou spotřebou elektrických spotřebičů. Po vypnutí kogenerační jednotky dochází k odpojení generátoru od rozvodny a po krátkém čase, kdy se soustrojí točí při jmenovitých otáčkách, se motor zastaví. Kogenerační jednotka, která pracuje v automatickém provozu, může být regulována dle potřeby elektrického či tepelného výkonu. Při návrhu kogenerační jednotky s pístovým spalovacím motorem se proto vychází z průběhu výkonu (elektrického, tepelného) charakteristického dne. Tímto dnem je den pracovní a den pracovního klidu vždy v zimním a letním období. 12

14 Na základě vstupních dat z typových listů výrobce kogenerační jednotky se vyčtou vstupní základní jmenovité hodnoty nutné pro zpracování energetických bilancí, jako jsou: výkon motoru, účinnost generátoru, elektrický výkon, tepelný výkon, hodinová spotřeba paliva, účinnost tepelná, elektrická, celková. Pro názornost se v Příloze 3 této práce nachází typový list kogenerační jednotky NATGAS 180 s generátorem BOOMEL. Pro stanovení provozních parametrů kogeneračních jednotek závislých na průměrném ročním zatížení kogenerační jednotky udávají někteří výrobci hodnoty výkonů a účinností i pro zatížení 75 % a 50 %. Pomocí polynomických rovnic 2. stupně lze pak vyčíslit provozní parametry kogeneračních jednotek v rozsahu zatížení 100 % až 50 % následovně: 1. z funkční závislosti vytvoříme polynomickou rovnici pro výpočet účinnosti generátoru pro rozsah zatížení 100 % až 50 %. Pomocí něho pak můžeme spočíst elektrický výkon nebo výkon motoru pomocí vzorce: P E..elektrický výkon kogenerační jednotky P M.výkon motoru na hřídeli η účinnost generátoru 2. z funkční závislosti poměr výkonů vytvoříme polynomickou rovnici 2. stupně ke stanovení poměru výkonů (tepelný k elektrickému). Z takto stanovené hodnoty v rozsahu zatížení 100 % až 50 % můžeme stanovit tepelný výkon kogenerační jednotky při známém výkonu elektrickém a naopak. 3. z funkční závislosti spotřeba paliva vytvoříme polynomickou rovnici pro stanovení spotřeby paliva při normálních podmínkách, tj. při teplotě 0 C a tlaku Pa v rozsahu zatížení 100 % až 50 %. Takto stanovenou spotřebu ZP v [Nm 3 /n] pro libovolné provozní zatížení kogenerační jednotky přepočteme na obchodní podmínky, tj. na teplotu 15 C a tlak Pa. Na Obr. 7 jsou graficky zachyceny tři výše zmíněné funkční závislosti pro kogenerační jednotku NATGAS 180 poháněnou spalovacím motorem Caterpillar a vybavenou generátorem elektrické energie BOOMEL. 13

15 Obr. 7 Na základě jmenovitých a předpokládaných provozních hodnot výkonů a účinností a předpokládaného počtu provozních hodin kogenerační jednotky za den (8 hod, 12 hod, 24 hod, jiné) a rok stanovíme hmotové a energetické bilance kogenerační jednotky, tj. především: výrobu elektrické energie, výrobu tepla, spotřebu paliva, vlastní spotřebu elektrické energie. Bilance kogenerační jednotky pro jmenovité i předpokládané provozní parametry je pro názornost zachycena na Obr. 8 této práce. Kogenerační jednotky s pístovým motorem zpravidla slouží jako základní zdroj pro dodávku tepla pro vytápění a ohřev teplé vody. Dostatečnou rezervu tepelného výkonu v období maximální spotřeby tepla zajišťují špičkovací plynové kotle, které jsou s kogenerační jednotkou zapojeny paralerně. Kogenerační jednotky jsou schopny pracovat v automatickém (bezobslužném) režimu. Součástí kogenerační jednotky je autonomní systém nouzového chlazení, který umožňuje plnou výrobu elektrické energie i v situaci, kdy není dostatečný odběr tepla zákaznickým topným systémem. Elektrická silová a řídící část kogenerační jednotky je umístěna v rozváděčové skříni. Řídící část bývá vybavena především řídící jednotkou spalovacího motoru, jednotkou pro paralerní provoz s veřejnou distribuční sítí, zpětnou výkonovou ochranou a dalšími řídícími a regulačními prvky zabezpečující bezpečný a spolehlivý provoz kogenerační jednotky (tlak a teplotu oleje, přeběh jmenovitých otáček, teplota plnící směsi motoru, teplota chladící vody motoru apod.). 14

16 Obr. 8 Základní vztahy pro bilancování KGJ: VÝKONY: VÝROBY: počet provozních hodin počet provozních hodin PŘÍKONY: 15

17 MĚRNÉ SPOTŘEBY PALIVA: ÚČINNOSTI: 3. TRIGENERACE Pokud je k výrobě chladu použito kompresorové chlazení, narůstá v letním období spotřeba elektrické energie u klimatizovaných objektů. Tuto elektrickou energii lze ušetřit v případě, když nahradíme kompresorové chlazení chlazením absorpčním, při kterém bude využívána pro napájení absorpční chladící jednotky tepelná energie z kogeneračního stroje s pístovým motorem. Tímto řešením jednak snížíme spotřebu elektrické energie a také prodloužíme provoz kogenerační jednotky v letním období, čímž dosáhneme zvýšení podílu vyrobené elektrické energie. Systému společné výroby elektrické energie, tepla a chladu z tepla se říká trigenerace. Princip trigenerace je zachycen na Obr. 9. Bilanční schéma trigenerace zobrazující kogenerační jednotku, akumulační nádrž topné vody a absorpční chladící jednotku s otevřeným chladičem chladící vody je zachyceno v Příloze 4. Zdrojem výroby tepla pro chladící absorpční jednotku i pro klasické spotřebiče tepla je kogenerační jednotka s pístovým spalovacím motorem, která nejčastěji dodává zákaznickým okruhem teplou vodu o parametrech 90 C/ 70 C (100/80 C). V absorpční chladící jednotce, která je podobně jako kompresorové chlazení vybavena výparníkem a kondenzátorem, pracuje místo kompresoru s elektrickým pohonem tzv. termokompresor složený z absorbéru, vypuzovače a čerpadla. V absorbéru jsou páry chladiva odcházející z výparníku pohlcovány a vzniká tzv. bohatý roztok. Bohatý roztok je čerpán do vypuzovače, kde se chladivo přiváděným teplem z kogenerační jednotky vypudí z bohatého roztoku za vzniku tzv. chudého roztoku a páry chladiva. Páry chladiva kondenzují v kondenzátoru za odvodu tepla v chladící věži a po seškrcení na redukčním ventilu jsou opět nastříknuty do výparníku. Chudý roztok se přes škrtící orgán vrací do absorbéru. Sorpční chlazení bude podrobněji popsáno v kapitole 4. 2 této práce. 16

18 Obr STROJNÍ CHLAZENÍ Pod pojmem strojní chlazení rozumíme dosahování a udržování teplot, které jsou nižší, než teplota okolí. Tekutina, která odvádí teplo z chlazené látky, se nazývá chladivo. Konstantní množství chladiva zpravidla obíhá v uzavřeném chladícím okruhu a po několika fyzikálních změnách svého stavu (kapalina, pára) se opět vrací do svého výchozího stavu. Strojní chladící zařízení využívají výparné teplo těkavých chladiv. Vypařování chladiva za teploty nižší než je teplota okolí se dosáhne snížením tlaku chladiva a přívodem tepla z chlazené látky. Tomuto tlaku se říká tlak na mezi sytosti. Každému tlaku na mezi sytosti odpovídá určitá teplota sytosti a naopak. Kondenzace par chladiva se dosáhne jejich stlačením a odvodem vzniklého tepla chladící vodou nebo okolním vzduchem. Udržování nízkého tlaku par chladiva vznikajících ve výparníku přívodem tepla z chlazené látky lze provést těmito způsoby: 1. odsáváním par pomocí kompresoru (kompresorové chlazení) 2. pohlcováním par absorbentem ve stavu kapaliny (absorpční chlazení) 3. odsávání par ejektorem proudovým kompresorem (ejektorové chlazení) U absorpčního chlazení se roztok absorbentu s pohlceným chladivem stlačí za pomocí čerpadla na kondenzační tlak, přičemž se chladivo z roztoku vypudí ve formě páry zahřátím roztoku na teplotu sytosti při kondenzačním tlaku. Následně se pak páry chladiva ochladí a chladivo zkapalní v kondenzátoru. U kompresorových a ejektorových chladících zařízení se páry chladiva po stlačení kompresorem zkondenzují odvodem tepla z kondenzátoru. 17

19 4.1. Kompresorové chlazení Základní pojmy 1. Hrubý chladící výkon kompresoru Hrubý chladící výkon kompresoru se stanoví jakou součin průtoku chladiva [kg/s] a rozdílu entalpií chladiva mezi sacím hrdlem kompresoru a místem těsně před škrtícím ventilem. Je ho možné také vyjádřit jako součet hrubého chladícího výkonu výparníku a tepelných ztrát (především tepla procházejícího z okolí do chladiva) nízkotlaké části okruhu, kde byl stanovován (měřen) hrubý chladící výkon výparníku. 2. Hrubý chladící výkon výparníku Hrubý chladící výkon výparníku se vypočte jako součin z průtoku chladiva a rozdílu jeho entalpií těsně za výparníkem a těsně před ním. Je to v podstatě užitečný chladící výkon zvětšený o veškeré tepelné ztráty prostupem tepla z okolí do chladiva a dále příkon strojů pro cirkulaci chlazené látky. 3. Užitečný chladící výkon Užitečný chladící výkon je výkon v místě spotřeby. Je ho možné vyjádřit jako čistý chladící výkon zvýšený o ztráty prostupem tepla z okolí do chlazené látky (není zde zahrnut příkon strojů pro cirkulaci chlazené látky). 4. Čistý chladící výkon Jedná se o výkon, který je potřebný k odvedení tepla chlazené látce za určitý čas pro dosažení žádaného chladícího účinku. Je to tedy průměrná hodnota chladícího výkonu, ke kterému přistupují tepelné ztráty, jimiž se výkon zvyšuje. Principiální schéma okruhu jednostupňového kompresorového chlazení s tepelným p - i diagramem je zobrazeno na Obr. 10. Obr. 10 Ve výparníku se do okruhu přivádí teplo Q v [J] z chlazené látky. Vlivem tohoto tepla zde dochází k vypařování chladiva za teploty sytosti (o několik stupňů nižší, než je požadovaná teplota chlazené látky). Výparný tlak (tlak na mezi sytosti) chladiva daný teplotou varu se ve výparníku udržuje odsáváním vznikajících par kompresorem sacím potrubím. Páry se po stlačení kompresorem dopravují výtlačným potrubím do kondenzátoru. Kondenzační tlak p k je o něco vyšší než tlak sytých par při teplotě odtékající chladící vody t w2 při vodním chlazení nebo vzduchu při chlazení vzduchem. V kondenzátoru zkapalněné chladivo vlivem odvedeného tepla v chladící vodě Q k [J] se škrtí v redukčním ventilu z tlaku kondenzačního p k na tlak výparný p s a vede potrubím zpět do výparníku. Do výparníku vstupuje mokrá pára. Je-li okruh doplněn o odlučovač kapaliny, vstupuje do výparníku pára sytá. Po stlačení páry na kondenzační tlak se pára (téměř vždy přehřátá) ochladí na kondenzační teplotu, při které kondenzuje. Dalším ochlazením je možné kapalinu podchladit. 18

20 Tepelná bilance chladícího okruhu Při návrhu chladícího okruhu se vychází z idealizovaného (teoretického oběhu), který neuvažuje se sdílením tepla v potrubí, s průtokovými odpory ani s odchylkami od izoentropického stlačení. Pro kompresorový chladící okruh se zanedbatelnými tepelnými ztrátami pak platí tyto základní bilanční rovnice: 1. Hmotnostní průtok chladiva: P v...výkon výparníku i 1, i 4 entalpie chladiva v místech zobrazených na Obr Výkon kondenzátoru: 3. Příkon kompresoru: 4. Průtok chlazené vody: i s1, i s2.entalpie chlazené vody 5. Průtok chladící vody: i w1, i w2..entalpie chladící vody 6. Účinnost chladícího okruhu vyjádřená chladícím faktorem EER: Chladiva Chladiva jsou obecně látky (tekutiny), které v chladícím oběhu přijímají teplo při nízkém tlaku a teplotě a naopak teplo odevzdávají při tlaku a teplotě vyšším. Přívod i odvod tepla je spojen se změnou fáze chladiva. Při přívodu tepla nastává vypařování chladiva, při odvodu tepla z chladiva pak kondenzace par. Přívod tepla z chlazené látky a následné vypařování chladiva se u kompresorových chladících systémů odehrává ve výparníku. Odvod tepla z chladiva probíhá v kondenzátoru. Zde páry chladiva nasáté a stlačené kompresorem na tlak sytosti předávají teplo chladící vodě nebo vzduchu. Podle normy ISO jsou chladiva (jednoznačně určena svými názvy a vzorci) jednotně označována písmenem R s příslušným číselným označením. Dále uvádíme označení přírodních a syntetických chladiv na bázi fluorovaných uhlovodíků (nezatěžujících životní prostředí). 19