Typy akumulátorů. Akumulace tepla. Typy akumulátorů. Typy akumulátorů. Typy akumulátorů. Akumulace tepla ve vratné větvi tepelné sítě

Transkript

1 Typy akumulátorů Rovnotlaký horkovodní akumulátor Akumulace tepla Čisté vybíjení: otevřeno 2,3, zavřeno 1,4 Čisté nabíjení: otevřeno 1,4, zavřeno 2,3 Čistě topný provoz: otevř. 1,2, zavřeno 3,4 Smíšený provoz: otevřeno 2, zavřeno 4, 1,3 v mezipoloze Typy akumulátorů Rovnotlaký horkovodní akumulátor Typy akumulátorů Ruthsův spádovým akumulátor 1. Přepad 2. Odkal 3. Vstup vody 4. Výstup vody 5. Obslužná plošina Akumulátor Červený mlýn 5600 m MWh tepla 1. Napouštění 2. Hrdlo pojistného ventilu 3. Odvzdušnění 4. Výstup páry 5. Odkal 6. Vstup páry 7. Přepad Typy akumulátorů Expanzní akumulátor Akumulace tepla ve vratné větvi tepelné sítě mimo špičku se zvýší teplota ve vratné větvi pomocí přepouštěcího propojení potrubí JS 500 o délce 10 km má objem 1960 m 3 1

2 Rozvod tepla - tepelné sítě Rozvod tepla - tepelné sítě Teplo se rozvádí tepelnou rozvodnou sítí. Tepelnou rozvodnou sítí se označuje potrubní soustava, která dopravuje určité potřebné množství tepla prostřednictvím teplonosné látky ze zdroje ke spotřebitelům. Základní teplonosnou látkou mohou být kapaliny plyny páry Požadavky kladené na medium pro rozvod tepla : snadná dostupnost a přijatelná cena přenos maximálního množství tepla - malou náchylnost ke korozi rozvodné sítě chemická stálost v rozsahu běžně používaných tlaků zdravotní a ekologická nezávadnost - nesmějí být toxické možnost regulace rozváděného tepelného výkonu Dělení tepelných sítí Dělení tepelných sítí podle počtu potrubí Tepelné sítě se dělí podle různých kritérií Podle pracovního média vodní - teplovodní do 110 C a - horkovodní nad 110 C parní - blízko meze sytosti o tlaku 0,2-1,5 MPa, v závodních soustavách i vyšší. Podle funkce primární - dopravují teplo ze zdroje do předávacích stanic sekundární - zabezpečují rozvod z předávacích stanic k jednotlivým spotřebičům. různých parametrů Podle počtu potrubí použitých pro rozvod v primární síti rozeznáváme systémy jednotrubkové - teplonosná látka se nevrací do zdroje, dvoutrubkové - přívodní a vratné potrubí - dnes nejrozšířenější třítrubkové - používají se ve speciálních případech : pro dodávku tepla na dvou odlišných teplotních nebo tlakových úrovních v případě značné časové odlišnosti ve spotřebě tepla u dvou spotřebičů (např. sezónní dodávka) Dělení tepelných sítí Tepelné sítě se dělí podle různých kritérií Podle způsobu uložení jsou sítě nadzemní - na sloupech a potrubních mostech pozemní - na nízkých betonových patkách podzemní kanálové v kanálech různého profilu od neprůlezných až po průchozí bezkanálové - ukládané přímo do země Podle zapojení tepelné rozvodné sítě paprskovité - ze zdroje vychází jeden nebo více samostatných napáječů, které se dále paprskovitě dělí k jednotlivým spotřebitelským předávacím stanicím okružní - je modifikací paprskovité sítě se vzájemně propojenými napáječi mřížové - skládá se z několika vzájemné propojených okruhů umístěných vedle sebe Dělení tepelných sítí podle zpojení Liší se především výší investičních nákladů. Sítě je třeba vést tak, aby byly co nejkratší, aby měrné zatíženi přenášeného výkonu MW/km nebo roční dodávky MWh/km, GJ/km co největší - obvykle 3 až 5 MW/km. 2

3 Vlastnosti vody voda má vysokou tepelnou kapacitu do teploty 200 C je chemicky stabilní obsahuje však nežádoucí rozpuštěné soli (převážně vápence a křemíku) pohlcené plyny (kyslík a CO 2 ), proto musí být před použitím pro rozvod tepla chemicky upravena a odplyněna. obvyklé rychlosti vody v tepelné síti se pohybují mezi 1 až 2 m/s obvyklé teploty 90 až 180 C v přívodní větvi 60 až 80 C ve vratné větvi. v důsledku vysoké hustoty vody se mohou ve vodní tepelné rozvodné síti vyskytnout značné statické tlaky, podle výškové členitosti terénu však obvykle nepřekračují hodnotu 2 MPa. Vlastnosti vodní páry Vodní pára jako teplonosná látka poskytuje větší možnosti použití především s ohledem na potřeby technologie. Dopravuje se obvykle vlastním tlakem. Statické tlaky v rozvodné síti bývají nepatrné. Rychlosti proudění se volí mezi 25 až 60 m/s. Využívá se především její skupenské kondenzační teplo, které je značné, s rostoucí teplotou se však zmenšuje Kondenzát se obvykle vrací v rozmezí teplot 60 až 80 C, Kondenzátní potrubí bývá dimenzováno na 1/2 až 1/3 průměru rozvodného potrubí Problémem bývá nižší návratnost kondenzátu Častým nedostatkem je i špatná tepelná izolace kondenzátních potrubí. Použití páry jako teplonosného média Schopnost přenosu tepla vodní parou je dána vztahem Nejčastěji se používá pára sytá nebo pára mírně přehřátá. Použití páry jako teplonosného média Výhody páry jako teplonosného média jsou : universálnost použití -jak pro vytápění tak pro technologii malá hustota, což je výhodné u delších výškové členitých rozvodů s ohledem na hydrostatický tlak vodní pára proudí potrubím sama jen na úkor své tlakové energie snadno zvládnutelné hydraulické poměry při proudění vodní páry umožňují napájení sítě z více zdrojů současně jednoduché připojení spotřebičů k parní síti má až pětinásobně vyšší schopnost přenosu tepla v porovnám s vodou snadnější lokalizace netěsností evt. poruch sítě Použití páry jako teplonosného média Nevýhody parního rozvodu tepla v porovnáni s horkovodním jsou : vyšší tlaková ztráta (obvykle kolem 0,1 MPa/km) a v důsledku toho vyšší nutný tlak na vstupu do sítě regulace teploty dodávané páry je omezená a nelze ji přizpůsobit ročnímu období, parní síť proto vykazuje s větší tepelnou ztrátu (až asi dvojnásobně), neboť střední roční teplota páry je vyšší než u sítě vodní při výskytu netěsnosti vykazuje pára větší hmotnostní únik, tedy i větší únik tepla koroze kondenzátního potrubí - nutnost použití kvalitnějších a tedy dražších materiálů vyšší ztráty vratného kondenzátu dražší úprava přídavné vody vzdálenost, na kterou lze páru dopravovat, je omezena jejím tlakem a tepelnými ztrátami -vychází podstatně kratší, než u horkovodních sítí doprava páry vlastní tlakovou energií, tzn. částečnou expanzí v rozvodné síti, zvyšuje protitlak parní turbíny a tedy snižuje její elektrický výkon, pokles výkonu turbíny je obvykle větší než příkon oběhových čerpadel ekvivalentní horkovodní sítě Schémata tepláren s protitlakými turbínami a) dodávka tepla do parní sítě; b) dodávka tepla do horkovodní sítě; 3

4 Použití vody jako teplonosného média Přenos tepla vodou je dán vztahem Způsoby udržování tlaku v TS Poměr teplot t 1 /t 2 bývá 90/60; 120/70; 140/80; 150/80; 160/80; 160/90; 170/80 a 200/90 evt. i jiné poměry. Přestože pára má výrazně vyšší přenosovou schopnost než voda, přenosová schopnost horkovodního potrubí je vyšší než u stejné dimenzovaného parního potrubí. Voda v horkovodní rozvodné síti musí mít takový tlak, aby v nejvyšším bodě rozvodné sítě nedošlo k jejímu samovolnému odpařování, a to za jakýchkoli provozních podmínek kontroluje se konstrukcí tlakového diagramu TS a) s expanzní nádobou b) s doplňovacím čerpadlem Tlakový diagram horkovodní soustavy Použití vody jako teplonosného média Výhody vody jako teplonosného média jsou : doprava tepla na poměrně velké vzdálenosti při malém poklesu teploty vody větší výroba elektřiny v kombinovaném cyklu (při srovnatelných podmínkách o %). daná nižším příkonem oběhových čerpadel vůči elektrickému výkonu získanému navíc zlepšením protitlaku turbíny nižší průměrnou roční teplotou vody možností výroby horké vody ohřevem v několika stupních menší tepelné ztráty menší ztráty vratné vody proti kondenzátu lepší regulovatelnost jako základní předpoklad lepší hospodárnosti Použití vody jako teplonosného média Nevýhody horkovodního rozvodu tepla v porovnání s parním jsou : potřeba oběhových čerpadel pro dopravu topné vody a dalších výměníkových stanic, vyšší spotřeba energie pro dopravu větších zatížení trvalé udržování tepelné sítě pod relativně vysokým tlakem při teplotách > 100 C u vertikálně členitých rozvodných sítí jsou úměrně vysoké hydrostatické tlaky zatížení potrubí od hmotnosti vody složitější měření dodávky tepla než u parovodů obtížnost napojování nových větví do stávající rozvodné sítě, neboť se mění hydraulické poměry v celé síti Volba teplonosné látky a jejího stavu Globálně je možno uvažovat takto : pro čistě bytově-komunální sféru je výhodnější navrhnout tepelný rozvod horkovodní (příp. teplovodní) pro soustavy CZT se značným podílem tepla pro technologické účely je výhodnější rozvodná síť parní Dnešní trend : až na výjimky (např. pro průmyslový odběr) sítě vodní, s co možná nejmenšími jmenovitými teplotami, přivedené co nejblíže k jednotlivým zásobovaným objektům. Pára však může být výhodnější ve značně výškově členitém terénu když zdroj tepla musí být situován v nejnižším místě. 4

5 Volba teploty topné vody Teplota topné vody ovlivňuje vždy dimenzování celé rozvodné sítě. Přenosová schopnost TS roste se zvyšováním rozdílu teplot přívodní a vratné vody. Horní teplota přívodní větve t 1 však ovlivňuje : pevnostní dimenzování s ohledem na zhoršení materiálových vlastností při zvýšení teploty nároky na kompenzaci teplotních dilatací Snižováni teploty vratné vody t 2 působí příznivě na snížení odběrového tlaku nebo protitlaku turbíny při kombinované výrobě prodražuje předávací stanice a spotřebitelské výměníkové soustavy. Z hlediska omezení tepelných ztrát v rozvodu jsou vhodnější nižší parametry (tlak a teplota) páry nebo vody. Proti tomu stojí hledisko ekonomické, vyjádřené náklady na rozvod tepla, které při nižších parametrech teplonosné látky rostou. Hydraulický výpočet tepelné sítě Určení průměru z rovnice kontinuity Jedná se o nejjednodušší, a proto velmi běžný způsob návrhu průměru potrubí Neřeší tlakové poměry v síti. Vychází z rovnice kontinuity Určení průměru potrubí průměr potrubí lze vyjádřit jako kde M [kg/s] je hmotnostní průtok, w [m/s] je rychlost proudění a ρ [kg/m3] je hustota proudícího media. Pro studenou i teplou vodu Určení průměru z rovnice kontinuity Pro páru nebo technické plyny je třeba dosadit očekávanou přibližnou hustotu ρ v daném úseku. Úsekem rozumíme takovou část potrubí, v níž se současně nemění ani průměr ani průtočné množství. Při volbě rychlosti media v potrubí se obvykle vychází ze zkušenosti s přihlédnutím k druhu dopravovaného media a povaze potrubí Takto předběžně získané hodnoty průměrů ze zvolené rychlosti se poopraví s ohledem na vyráběný sortiment potrubí směrem nahoru nebo dolů Provede se výpočet tlakové ztráty pro jednotlivé úseky jako podklad k sestrojení tlakového diagramu. Směrné hodnoty vhodných rychlostí proudění potrubím 5

6 Dimenzování průměru ze zvolené nebo přípustné tlakové ztráty Jedná se o opačný postup k předchozímu. O průměru potrubí zde rozhoduje velikost příslušné tlakové ztráty p, průtočné množství M daným úsekem, délka potrubí l geometrický tvar potrubí, množství a druh vřazených odporů (ohybů a armatur), hustota proudící ρ látky velikost součinitele tření λ. Celková tlaková ztráta potrubí je dána součtem ztráty třením Tlakové ztráty potrubí ztrát v místních odporech (změna směru, urychlení, zpomalení, škrcení, rozdělení proudu apod.) Třecí ztráty jsou vyvolány vazkostí proudícího media závisejí v první řadě na typu proudění (laminární, turbulentní), o němž lze rozhodnout na základě výpočtu velikosti podobnostního Reynoldsova čísla kde Tlaková ztráta třením w [m/s] je rychlost proudění, d [m] je vnitřní průměr potrubí a ν [m2/s] je kinematická viskozita media. Laminární proudění do velikosti Reynoldsova čísla Re = Při laminárním proudění je tlaková ztráta úměrná prvé mocnině rychlosti w nezávisí na drsnosti stěny potrubí. Tlaková ztráta třením Turbulentní proudění Při dalším zvýšení rychlosti nad hodnotu s Re = 2300 již závislost třecích ztrát v potrubí na rychlosti přestává být lineární Při vyvinutém zcela turbulentním proudění je tato závislost kvadratická. Při určování tlakové ztráty třením bylo a je snahou vycházet u obou druhů proudění ze shodného výpočtového vztahu kde λ [-] je součinitel tření určený experimentálně. Je třeba odlišně definovat hodnotu λ pro laminární turbulentní oblast, tzv. přechodovou oblast proudění Určení součinitele tření Laminární oblast souč. tření je jednoznačnou funkcí Re Tlaková ztráta ve vřazených odporech Ekvivalentní délka potrubí Přechodová oblast souč. tření je funkcí Re a poměrné drsnosti ε/d Turbulentní oblast souč. tření je funkcí Re a poměrné drsnosti ε/d 6

7 Výpočet tlakové ztráty a průměru pro nestlačitelné médium tlaková ztráta průměr potrubí Média nestlačitelná při úbytku statického tlaku v potrubí nemění hustota ρ. průběh tlaku po délce úseku je v těchto případech lineární Při proudění plynů a par se projevuje jejich stlačitelnost s poklesem tlaku klesá hustota zvětšuje se rychlost proudění směrem ke konci úseku. úbytek tlaku je úměrný čtverci rychlosti (při turbulentním proudění) - ke konci úseku lze očekávat větší měrný pokles tlaku než na jeho začátku průběh tlaku po celé délce úseku není lineární Hustota v obecném místě vyjádří se hustotu v obecném místě pomocí počátečného stavu p o, ρ o, t o dosazením za rychlost dostaneme úbytek tlaku na elementu délky po dalším dosazení za ρ a zintegrování rovnice v odpovídajících mezích vyjde tlak na konci úseku poměrt stř / T o 1 a lze zanedbat označme skutečná tlaková ztráta stlačitelného média pak 7

8 Postup při určování tlakových ztrát plynů a par : s pomocí potřebných hodnot k, Re určí se součinitel tření a tlaková ztráta počítaná pro stav na počátku potrubí : p o =... nečiní-li tato ztráta více než 10% počátečního tlaku, tj p o / p o 0,1, není vliv stlačitelnosti výrazný a můžeme spočtenou hodnotu p o považovat za skutečnou tlakovou ztrátu p. je-li p o / p o > 0,1, provede se korekce podle vztahu čímž se získá skutečná tlaková ztráta p. Dimenzování průměru pro zadanou tlakovou ztrátu stlačitelných médií přesvědčíme se, zda p / p o <> 0,1 je-li p / p o < 0,1, můžeme říci, že p p o potom již přímo vyjádříme průměr z rovnice podle stejných zásad jak bylo uvedeno při výpočtu teplovodního potrubí : je třeba nejprve odhadnout λ a L, a průměr zaokrouhlíme podle vyráběné řady potrubí zpřesní se velikost λ a zkontroluje se tlaková ztráta Dimenzování průměru pro zadanou tlakovou ztrátu stlačitelných médií 1. je-li p / p o > 0,1, musí se respektovat vliv stlačitelnosti a skutečnou ztrátu p převést na pomocnou hodnotu p o podle rovnice Optimální průměr potrubí z hlediska nákladů 2. Tlaky p o, p n musí být absolutní, (nikoliv přetlak!) protože k odvození bylo použito stavové rovnice. 3. Další postup je shodný s bodem 3) 4. Ukončením výpočtu průměru z tlakové ztráty je kontrola skutečné ztráty zpřesněnými hodnotami po zaokrouhlení průměru. a - roční podíl pořizovacích nákladů a výdajů za GO, b - roční výdaje za obsluhu a údržbu, c - výdaje za ztráty tepla (chladu), d - výdaje za čerpací práci 8