ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ"

Σωφρονία Αλεξανδρίδης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Άσκηση 16 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ Σε μια βιομηχανικ εγκατάσταση ένα ρεύμα υγρού πρέπει να θερμανθεί από τους 25 C στους 75 C ( περ = 25 C). Να εξεταστούν οι εξς εναλλακτικές λύσεις: (α) Η θέρμανση γίνεται με ηλεκτρικές αντιστάσεις. Δεχθείτε ότι ο θερμαντρας είναι πολύ καλά μονωμένος και παρουσιάζει θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον μόνο 1% της εισερχόμενης ενέργειας (β) Η θέρμανση να γίνει με κορεσμένο ατμό πίεσης 3 bar ( = 133 C) που προέρχεται από ατμολέβητα θερμικς απόδοσης 0,8. Οι θερμικές απώλειες του εναλλάκτη προς το περιβάλλον είναι πάλι 1%, το συμπύκνωμα εξέρχεται σε θερμοκρασία 100 C και πίεση 2,7 bar και τα καυσαέρια σε θερμοκρασία καυσαερίων = 350 C. (α) (β) (α) Η θέρμανση γίνεται με ηλεκτρικές αντιστάσεις. Δεχθείτε ότι ο θερμαντρας είναι πολύ καλά μονωμένος και παρουσιάζει θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον μόνο 1% της εισερχόμενης ενέργειας Αν είναι το ποσό της θερμότητας που παρέχουν οι ηλεκτρικές αντιστάσεις, τότε ισχύει: = χρησ + απ = χρησ + * 0,01 Όποτε η χρσιμη ενέργεια είναι: χρησ = * (1 0,01) = = 0,99 * Ο Θερμικός Βαθμός Απόδοσης Θ είναι: 0,99 0,99 99 % Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 1

2 Ο θερμικός βαθμός απόδοσης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι πρόκειται για μια πολύ αποδοτικ διεργασία η οποία έχει ελάχιστα περιθώρια βελτίωσης. Ακολούθως εξετάζεται το εξεργειακό ισοζύγιο της διεργασίας. Η ηλεκτρικ ενέργεια είναι πλρως μετατρέψιμη σε μηχανικό έργο, οπότε ο εξεργειακός συντελεστς είναι c ΗΕ = 1 και επομένως είναι: i = * c ΗΕ,i = Δοθέντος ότι η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι περ = 25 C, η εξέργεια του υγρού ρεύματος στην είσοδο είναι μηδέν υγρ i = 0. Στην έξοδο το υγρό έχει παραλάβει ποσό θερμότητας υγρ out = 0,99 και από το διάγραμμα που ακολουθεί για = 75 C ο εξεργειακός συντελεστς είναι c υγρ,out = 0,083. (γ) Συνεπώς, είναι: Εξέργεια υγρού στην έξοδο: υγρ out = υγρ out * c υγρ,out = 0,99 * c υγρ,out = 0,082 Εξεργειακός βαθμός απόδοσης: c out i out 0,082 0,082 8,2 % Αυτό σημαίνει ότι από την εξέργεια που δόθηκε στο σύστημα αξιοποιθηκε μόνο το 8,2% και το υπόλοιπο χάθηκε σε αναντιστρεπτότητα. Δηλαδ, για κάθε μονάδα ηλεκτρικς ενέργειας που προσφέρθηκε, ενώ ταν δυνατ η απόληψη μιας μονάδας έργου, λαμβάνεται θερμότητα που μπορεί να δώσει μόνο 0,082 μονάδες έργου. Είναι προφανές ότι πρόκειται για μια εξεργειακά ελάχιστα αποδοτικ φιεργασία επειδ δαπανάται μια ποιοτικά άριστη μορφ ενέργειας, όπως η ηλεκτρικ, για να θερμανθεί Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 2

3 ένα υγρό σε χαμηλ θερμοκρασία, δηλαδ μετατρέπεται σε ενέργεια με πολύ μικρ εξέργεια. Από τον εξεργειακό βαθμό απόδοσης φαίνεται ότι η διεργασία έχει πολύ μεγάλα περιθώρια βελτίωσης. Σ αυτ την περίπτωση βελτίωση είναι να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση αντί της ηλεκτρικς ενέργειας μια δη υποβαθμισμένη πηγ θερμότητας χαμηλς θερμοκρασίας, οπότε η εξέργεια εισόδου του μέσου θέρμανσης θα είναι πιο κοντά στην εξέργεια που παραλαμβάνει το θερμαινόμενο ρευστό. (β) Η θέρμανση να γίνει με κορεσμένο ατμό πίεσης 3 bar ( = 133 C) που προέρχεται από ατμολέβητα θερμικς απόδοσης 0,8. Οι θερμικές απώλειες του εναλλάκτη προς το περιβάλλον είναι πάλι 1% και το συμπύκνωμα εξέρχεται σε θερμοκρασία 100 C και πίεση 2,7 bar Η διάταξη θέρμανσης με ατμό παρουσιάζεται στο σχμα (β). Εάν είναι το ποσό θερμότητας που προσφέρεται στον λέβητα από το καύσιμο, και Θ ο θερμικός βαθμός απόδοσης στον λέβητα, τότε το ισοζύγιο ενέργειας είναι: = λεβ ατμού + λεβ απωλ = λεβ Θ * + λεβ απωλ Κορεσμένος ατμός (3 bar): Δh 3 bar ατμού = kj/kg Συμπύκνωμα (100 C, 2,7 bar): Δh 2,7 bar συμπύκνωμα = 419 kj/kg Συνεπώς, η ενέργεια που εισέρχεται στον εναλλάκτη με τον ατμό κατανέμεται: Συμπύκνωμα: συμπύκνωμα = Δh 2,7 bar συμπύκνωμα / Δh 3 bar ατμού = 419 / = 0,154 ενώ μεταβιβάζονται στον Εναλλάκτη: εναλλάκτη = (Δh 3 bar ατμού Δh 2,7 bar συμπύκνωμα) / Δh 3 bar ατμού = ( )/2.725 = 0,846 Ο βαθμός απόδοσης του εναλλάκτη είναι Θ εναλλάκτη = 0,99 99% Άρα η ενέργεια του καυσίμου κατανέμεται ως ακολούθως: Ωφέλιμη θερμότητα: υγρού = λεβ Θ * * εναλλάκτη * Θ εναλλάκτη = 0,80 * 0,99 * 0,846 * = 0,67 * Ενέργεια συμπυκνώματος: συμπυκνώματος = λεβ Θ * * συμπύκνωμα = 0.80 * * = * Θερμ. απώλειες εναλλάκτη: εναλλάκτη απωλειών = λεβ Θ * *(1 εναλλάκτη) * Θ εναλλάκτη = 0,80 * * (1 0,99) * 0,846 = 0,007 * Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 3

4 Απώλειες καυσαερίων: καυσαερίων = (1 λεβ Θ) * = 0,2 * Εάν θεωρηθεί ότι η ενέργεια του συμπυκνώματος δεν είναι εκμεταλλεύσιμη (πράγμα που συνθως συμβαίνει) ο συνολικός θερμικός βαθμός απόδοσης του συστματος λέβητα εναλλάκτη είναι: 0,67 0,67 67 % Από την ενεργειακ ανάλυση η διεργασία θέρμανσης με ατμό φαίνεται να είναι λιγότερο αποδοτικ από την διεργασία θέρμανσης με ηλεκτρικ ενέργεια. Αυτό όμως δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Για να γίνει σύγκριση πρέπει να γίνει αναγωγ της παρεχόμενης ενέργειας στην ίδια πρωτογεν μορφ. Η παραγωγ ηλεκτρικς ενέργειας συνθως γίνεται σε θερμοηλεκτρικό σταθμό όπου για την παραγωγ μιας μονάδας ηλεκτρικς ενέργειας απαιτούνται κατά μέσο όρο τρεις μονάδες θερμικς ενέργειας καυσίμου. Αν λοιπόν γίνει αναγωγ σε ενέργεια καυσίμου, ο βαθμός απόδοσης της θέρμανσης με ηλεκτρικ ενέργεια δεν είναι 0,99 αλλά 0,33 33%. Ισοζύγιο εξέργειας Η χημικ ενέργεια του καυσίμου είναι σχεδόν πλρως μετατρέψιμη σε έργο και συνεπώς ο εξεργειακός συντελεστς του καυσίμου είναι c καυσίμου = 0,98 και επομένως είναι: καυσίμου = * c καυσίμου = 0,98 * Ο εξεργειακός συντελεστς του κορεσμένου ατμού 3 bar δίνεται από το διάγραμμα που ακολουθεί: (δ) Εξεργειακός συντελεστς c ατμού 3 bar = 0,245 Ε ατμου 3 bar = ατμού 3 bar * c ατμού,3 bar = = 0,784 * * 0,245 = 0,192 * Δηλαδ, στον ατμό μεταβιβάζεται μόλις το 19,2% της εξέργειας του καυσίμου. Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 4

5 Ο εξεργειακός συντελεστς του συμπυκνώματος δίνεται από το ανωτέρω διάγραμμα (γ). Εξεργειακός συντελεστς c συμπύκνωμα, = 0,11 Ε συμπύκνωμα = συμπυκνώματος * C συμπύκνωμα, = 0,123 * * 0,11 = 0,0135 * Για το εξερχόμενο θερμό ρευστό (75 C), ο εξεργειακός συντελεστς προσδιορίζεται από το ανωτέρω διάγραμμα και είναι c υγρού = 0,083, και η εξέργεια είναι: out υγρού = λεβ Θ * * εναλλάκτη * Θ εναλλάκτη * c υγρού = 0,67 * * = * Εάν δεν αξιοποιείται το συμπύκνωμα, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: I ύ 0,056 * 0,98 * 0,057 5,7 % Εάν αξιοποιείται το συμπύκνωμα, ο εξεργειακός βαθμός απόδοσης είναι: II ύ ύ 0,0135 0,056 0,98 * * 0,071 7,1 % Δηλαδ, από την εξέργεια του καυσίμου στην πρώτη περίπτωση γίνεται εκμετάλλευση του 5,7% και στην δεύτερη του 7,1%. Το ισοζύγιο εξέργειας στον λέβητα παραγωγς ατμού θα δείξει τι συνέβη με την υπόλοιπη εξέργεια. Ισοζύγιο εξέργειας στον λέβητα παραγωγς ατμού Παραδοχ: Ο αέρας καύσης και το νερό τροφοδοσίας του λέβητα εισέρχονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Συνεπώς, η εξέργεια τους είναι μηδέν. Τα καυσαέρια εξέρχονται σε θερμοκρασία καυσαερίων = 350 C και ο εξεργειακός συντελεστς τους προσδιορίζεται από το διάγραμμα (γ) και είναι c καυσαερίων, = 0,33. Οπότε, η εξέργεια των καυσαερίων είναι: καυσαερίων = καυσαερίων = 0,2 * * c καυσαερίων, = 0,066 * Το ισοζύγιο εξέργειας στον λέβητα είναι: Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 5

6 Είσοδος: καύσιμο Ε καυσίμου = 0,98 * Έξοδος: ατμός ατμού = 0,192 * καυσαέρια καυσαερίων = 0,066 * Σύνολο = 0,258 * Απώλειες αναντιστρεπτότητας = Είσοδος Εξέργειας Έξοδος Εξέργειας = 0,98 * 0,258 * = 0,722 * Εξεργειακός βαθμός απόδοσης λέβητα έ out i ύ ί 0,192 * 0,98 * 0,196 19,6 % Από το ισοζύγιο εξέργειας στον λέβητα προκύπτει ότι η καύση και η μεταφορά της παραγόμενης θερμότητας στον ατμό είναι μια διεργασία με χαμηλ εξεργειακ απόδοση. Έτσι, με την παραγωγ ατμού χαμηλς ποιότητας γίνεται εκμετάλλευση μόνο του ~20% της δυνατότητας του καυσίμου για παραγωγ έργου. Ισοζύγιο εξέργειας στον εναλλάκτη Είσοδος: ατμός, 3 bar ατμού = 0,192 * υγρό Ε υγρού i = 0 Έξοδος: συμπύκνωμα Ε συμπύκνωμα = 0,0135 * υγρό Ε υγρού out = * Απώλειες αναντιστρεπτότητας = Είσοδος Εξέργειας Έξοδος Εξέργειας = 0,192 * 0,056 * = 0,136 * Εξεργειακός βαθμός απόδοσης εναλλάκτη: Χωρίς αξιοποίηση του συμπυκνώματος ά out ύ 0,056 * 0,192 * i ύ 0,292 29,2 % Με αξιοποίηση του συμπυκνώματος ά out ύ ύ i ύ 0,056 * 0,0135 0,192 * * 0,362 36,2 % Μεθοδολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας & Βελτιστοποίησης Βιομηχανικών Συστημάτων 6

Σχετικά έγγραφα

Εξοικονόμηση Ενέργειας

Εξοικονόμηση Ενέργειας Θεωρητικό Υπόβαθρο: Θερμοδυναμική Θερμοδυναμική: Η επιστήμη που ασχολείται με τις μετατροπές ενέργειας από μια μορφή σε μια άλλη «Κάθε παραγωγική διαδικασία βρίσκεται κάτω από τον