ENERGETSKA EFIKASNOST

KOTLOVI

� Osnovni zadatka kotlova je da izvršetransformaciju hemijske energije goriva utoplotnu energiju radnog fluida.

� Od ukupnog broja, udeo parnih kotlova uindustriji je 91%.industriji je 91%.

� Prirodni gas, kao opciono gorivo na prvom mestu ima udeo od 52% u odnosu na sve ostale raspoložive vrste goriva u industrijskom sektoru.

� Snižavanjem gubitaka energije u procesuproizvodnje vodene pare i njene distribucije(uključujući povrat kondenzata), nezavisno odstanja postojeće opreme moguće je značajnopovećati efikasnost kotlovskog postrojenja.povećati efikasnost kotlovskog postrojenja.

� Gubici pored režima rada odlučujuće utiču natroškove produkcije vodene pare.

� Godišnjem potencijalu uštede energije primenomrazličitih mera poboljšanja energetskeefikasnosti, pokazuje da je moguća uštedaenergije od približno 7%.

TOPLOTNA MOĆ GORIVA

� Toplotna moc goriva se definiše kao odnososloboene kolicine toplote pri potpunomsagorevanju goriva i kolicine goriva iz koje jetoplota oslobođena:� H=Q/m,� H=Q/m,

� Razlikujemo gornju i donju tolpotnu moć goriva.

� Donja toplotna moć čvrstog goriva Hd [MJ/kg] se dobija računski iz izraza�

� gde su sa C, H, O, S i W označeni respektivno

WSO

HCHd 25105)8

(1200340 −+−+=

� gde su sa C, H, O, S i W označeni respektivnomaseni udeli ugljenika, vodonika, kiseonika,sumpora i azota.

C % 38,430

H % 4,660

•Odrediti donju toplotnu moć drvne biomase sledećeg sastava:

H % 4,660

S % 0,000

N % 0,390

O % 34,520

W % 20,000

A % 2,000

Suma 100,000

REŠENJE

kgMJHd /1298020250105)8

52,3466,4(120043,38340 =⋅−⋅+−+⋅=

STEPEN KORISNOSTI KOTLA

� Stepen korisnosti kotla se računski određuje kao:�

� gde su vrednosti q2, q3, q4, q5, q6 odgovarajućuprocentualni gubici u ložištu kotla.

)(100100 65432 qqqqqqi

i ++++−=−= ∑η

Gubitak Naziv Okvirne vrednosti

Usvojena vrednost

q2

Gubitak u izlaznim gasovima

- 5,44%

q3

Gubitak usled hemijske nepotpunosti sagorevanja

0,5-1% 0,75%

sagorevanja

q4

Gubitak usled mehaničke

nepotpunosti sagorevanja

3,5-6,5% 5%

q5

Gubitak usled spoljašnjeg

hlađenja- 3,2%

q6

Gubitak usled fizičke toplote

šljake- ≈0

GUBITAK U IZLAZNIM GASOVIMA

� U ložištu se sagorevanjem oslobađa određenakoličina toplote po jedinici goriva.

� Dimnjak napuštaju produkti sagorevanja natemperaturi 100- 150oC.

� Obzirom da nije sva toplota iskorišćena, otpadna� Obzirom da nije sva toplota iskorišćena, otpadnatoplota redstavlja gubitak.

UTICAJ KOEFICIJENTA VIŠKA VAZDUHA

10000,0

12000,0

14000,0

En

talp

ija

kJ

/kg

0,0

2000,0

4000,0

6000,0

8000,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

En

talp

ija

kJ

/kg

Temperatura C

1,5

1,3

1

� Gubitak usled hemijske nepotpunostisagorevanja – javljaju se produkti nepotpunogsagorevanja prvenstveno CO.

� Gubitak usled fizičke toplote šljake – šljaka sezagreva na temperaturu od cca 600oC i toplotuzagreva na temperaturu od cca 600oC i toplotuodnosi sa sobom.

� Gubitak usled mehaničke nepotpunostisagorevanja – delovi goriva ostanu u nesagorelomstanju.

� Gubitak usled spoljašnjeg hlađenja – kotao predajetoplotu okolini.

PRIMER

� Na osnovu podataka iz tabele odrediti efikasnost kotla.

REŠENJE

� Računska vrednost koeficijenta efikasnosti kotla η iznosi� %61,85)2,3575,044,5(100 =+++−=η

PRIMER

� Ako je kotao snage 500 kW, odrediti potrebnu kolikinu goriva na ulazu u ložište.

REŠENJE

� Ukupna potrebna toplotna snaga goriva na ulazu QB se dobija kao�

� Potrebna protok goriva B na ulazu u kotao iznosi

kWQ

QB 044,5848561,0

500 ===η

� Potrebna protok goriva B na ulazu u kotao iznosi� skg

H

QB

d

B /045,012980

044,584==

PRODUKTI SAGOREVANJA

� U razmatranju produkata sagorevanja samtra se da sagorevanjem � ugljenika, dobija se ugljendioksid.� vodonika, dobija se voda.� sumpora, dobija se sumpordioksid.� sumpora, dobija se sumpordioksid.� azot nepromenjen prolazi kroz proces sagorevanja

(inertan gas).

TEORIJSKE ZAPREMINE GASOVA

Hd

12961,225 kJ/kg

Teo

rijs

ke z

ap

rem

ine

ga

sova

Lmin

3,508 Nm3/kg

VN2

2,774 Nm3/kg

VH2O

0,814 Nm3/kg

VCO2

0,717 Nm3/kg

Teo

rijs

ke z

ap

rem

ine

VCO2

0,717 Nm /kg

VSO2

0,000 Nm3/kg

VRO2

0,717 Nm3/kg

Vsuvi

3,492 Nm3/kg

STVARNE ZAPREMINE ZA KOEFICIJENT VIŠKA Α

α 1,3

Stv

arn

e z

ap

rem

ine

za

ko

efi

cije

nt

viš

ka

a

L 4,5604

VN2

3,606 Nm3/kg

VH2O

0,827 Nm3/kg

VO2

0,221004 Nm3/kg

Stv

arn

e z

ap

rem

ine

za

ko

efi

cije

nt

viš

ka

a

VO2

0,221004 Nm /kg

VCO2

0,717 Nm3/kg

VSO2

0,000 Nm3/kg

Vsuvi

4,543941 Nm3/kg

Vvlažni

5,371 Nm3/kg

Котлови

27

Ефикасност котла у зависности од коефицијента вишка ваздуха и типичне вредности садржаја кисеоника у димном гасу у зависности од оптерећења

Зависност степена корисности котла од продукције паре

Ефекти уградње економајзера

28

bez EKO

sa EKO

Предности паре као носиоца топлоте У односу на друге могуће носиоце топлоте, као што су топла вода, врела вода, или термално уље, пара као носилац топлоте у системима за развод енергетских флуида у производним погонима у индустрији има следеће предности:

пара је универзални грејни медијум,

пара је веома ефикасан носилац топлоте, односно садржи велику количину енергије по јединици масе, што значи да се кроз цев мањег пречника може транспортовати већа количина енергије у поређењу са водом на једнаком притиску,

способност да се ослобађа енергија на константној температури веома је важна за управљање осетљивим процесима у индустрији, што поједностављује пројектовање таквих процеса,

чиста је, без боје и мириса,

стерилна је, што омогућава њену примену у процесима стерилизације и влажења (када долази директно у додир са радним материјалом),

може се директно мешати са великим бројем сировина које се загревају,

може се узастопно користити у више процеса загревања на нижим температурама,

дистрибутивни систем се може једноставно проширити ако постоје потребе за додавањем нових потрошача.

29

Дистрибуција паре

30

Димензије прикључка за одводњавање

паровода б) Правилно

а) Неправилно

Одводњавање паровода

Ефекти снижавања притиска, изоловања паровода и цурења паре кроз отворе

31

Потпуно искоришћење отпарка

33

Ефекти примене фреквентног регулатора

Компримовани ваздух Основна опрема компресорског постројења обухвата:

Компресоре

Припремне групе за ваздух (уклањање влаге, кондензација, сушење и др)

Филтере

Опрему за одстрањивање кондензата

Пнеуматски систем (резервоар компр. ваздуха, развод и млазнице)

Машинску салу компресорске станице

TURBINE

� Parna turbina je mehanička sprava koja izdvajatermalnu energiju iz pare pod pritiskom ipretvara je u koristan mehanički rad.

� Pripada grupi toplotnih motora.

� Parna turbina spada i u grupu turbomašina� Parna turbina spada i u grupu turbomašinazajedno sapumpama, ventilatorima, hidrauličnim i gasnimturbinama i turbokompresorima.

Вежбе

Енергетска ефикасност и заштита

животне средине

Вежбе

Ефикасност конверзије енергије

� Ако би смо били ефикаснији са енергијом коју

већ имамо, било би мање загађења, мање

зависности од увезених енергената, и повећање

сигурности земље.

2

Енергетска ефикасност

Уређај за конвертовање

Улаз енергијеИзлаз кориснеенергије

3

конвертовање енергије

Енергија која се испушта у околину

енергијеУлаз

енергијекориснеИзлазЕфикасност =

Пример 1� Електро-мотор троши 100 W (J/s) електричне снаге

да би произвео 90 W механичке снаге. Одредити ефикасност уређаја ?

енергијеУлаз

енергијекориснеИзлазЕфикасност =

4

=

енергијеУлазЕфикасност =

%90%100100

90 =×w

w

Ефикасност неких уређаја

Уређај

Ефикасност %

Електромотор 90Пећ на ложуље 65Пећ на угаљ 55Пећ на угаљ 55Котао (ТЕ) 89Термо-електрана 36Аутомобилски мотор 25Флуоресцентна сијалица 20Сијалица са влакном 5

Ефикасност аутомобилског мотора

EGEE 102 - S. Pisupati6

25% од горива се користи на погон аутомобила, остатак се губи у виду топлоте

Source: Energy Sources/Applications/Alternatives

Топлотна машина

� Топлотна машина је бико који уређај који претвара топлотну енергију у топлотну енергију у механичку.

� Скоро 50% свих уређаја за конверзију енергије су топлотне машине.

7

Ефикасност Карноове топлотне

машине

� Максимална ефикасност коју може имати једна топлотна машина је:

� %1001(%) × −= Tokolineη

8

�

.

� Температура је у келвинима.

%1001(%) ×

−=T

okolineη

Пример 2

� У котлу у термо-електрани, температура паре

високог притиска је 540°C,а температура околине,је температура воде у расхладној кули од 20°C.

� Срачунати ефикасност карноовог циклуса?

EGEE 102 - S. Pisupati9

540 ° C = 540 +273 ° K = 813 °K

%1001(%) ×

−=T

Tokolineη

10

540 ° C = 540 +273 ° K = 813 °K20 °C = 20 + 273 = 293 °K

%64100813

2931 =×

−=η

Закључак

� Највише 64% енергије горива може се претворити

у рад.

� Да би се повећала ефикасност Карноове машине,или се треба повећати температура паре у циклусу,или се смањити температура околине!

11

или се смањити температура околине!

Шематски диаграм термоелектране

12

Систем термоелектране

Boiler

Chemical Energy Input (100 BTU )

Thermal Energy (88 BTU )

Mech. Energy (36 BTU )

13

TurbineGenerator

Mech. Energy (36 BTU )

Elec. Energy Output (10.26 Wh )

Укупна ефикасност система

� Укупна еф.=

Електрична енергија на излазу/

Хемијска енергија на улазу

= 35 BTU/100 BTU�100%= 35%

×

×

=

..

..

..

..

..

....

енермех

енерел

енертопл

енермех

енерхем

енертоплсисефУкупна

Рачунање укупне ефикасности

=

×

×

=

..

..

..

..

..

....

енермех

енерел

енертопл

енермех

енерхем

енертоплсисефУкупна

15

= E kotla x E ciklusax E generatora

= 0,88 x 0,41 x 0,97= 0.35 тј.= 35%

Ефикасност система

� Ефикасност система је једнака производу

ефикасности појединачних уређаја, односноподсистема.

16

Системска ефикасност сијалицеКорак Еф. корака Кумулативна еф.

Ископавање угља 96% 96%

Транспорт 98% 94%

Производња ел. енергије

38% 36%

Транспорт ел. енергије 91% 33%Транспорт ел. енергије 91% 33%

1) Осветљење сијалице са усијаним влакном

5% 1.6%

2) Осветљење са флоур. сијалицом

20% 6.5%

Системска ефикасност аутомобилаКорак Еф. корака Кумулативна еф.

Екстракција нафте 96% 96%

Рафинисање 87% 84%

Транспорт 97% 81%

Конверзија терм. у 25% 20%Конверзија терм. у мех. енергију

25% 20%

Губици у трансмисији

95% 19%

Губици као

последица трења котрљања

95% 18%

Eфикасност грејања на:

Електричну енергију = 24%Лож уље = 53%Природни гас = 70%

19

Топлотна пумпа

� Сваки уређај који транспортује топлоту “узбрдо”, од ниже температуре, ниже температуре, ка вишој температури се назива топлотна пумпа.

� Пример за топлотну пумпу је фрижидер.

20

Циклус грејања топлотне пумпе

EGEE 102 - S. Pisupati21 Source: http://energyoutlet.com/res/heatpump/pumping.html

Циклус хлађења топлотне пумпе

EGEE 102 - S. Pisupati22 Source: http://energyoutlet.com/res/heatpump/pumping.html

Т-s дијаграм расхладног уређаја

Coefficient of Performance (C.O.P)

Ефикасност топлотне пумпе се изражава преко coefficient of performance (C.O.P)

24

преко coefficient of performance (C.O.P)

okolineTT

TPOC

−=...

Пример 3

� Срачунати идеални C.O.P.за топлотну ваздух –ваздух пумпу, при чему је температура у кући 20°C, док је температура околине 0°C.

25

Решење

� Thot= 20°C =20 + 273 =293K

� Tcold = 0°C =0 + 273 =273K

� C.O.P =293/(293-273)=14.65

26

� За сваки kW утрошене снаге који покреће

идеалну топлотну пумпу добија се 14.65 kW

топлоте.

� 1 kW се добија као последица рада машине;

� 13.65 kW се добија од извора топлоте, тј он се

27

� 13.65 kW се добија од извора топлоте, тј он се

хлади за тај износ.

� Извор топлоте може бити (бунарска) вода, ваздух, земљиште.

� Теоретски максимум се не постиже у пракси, већ се вредности C.O.P-а крећу у опсегу од 2 до 6.

More C.O.P.’s

Упоредити идеалне вредности C.O.P. За

два места.

А: t = 21°С, t = 4°С

28

А: thot

= 21°С, tcold

= 4°С

B: thot

= 21°C, tcold

= -9°С

29

= 294(294-277)

= 17.3

= 294(294-263)

= 9.5

A B