Zadanie 1

System ciepłowniczy – zbiór maszyn, urządzeń, armatury, rurociągów wyposażenia dodatkowego, służących do wytwarzania i przesyłania transformacji i użytkowania ciepła.

Schemat ideowy systemu ciepłowniczego:

Elementy syst. Ciepł. – źródła ciepła, sieć magistralna, przyłącza, węzły cieplne, inst. Odbiorcze.

• Źródła ciepła – elektrociepłownie lub ciepłownie

• Magistrale – są to rurociągi o średnicy powyżej ф 250 mm. Rurociągi magistralne o średnicy ф 250 i 300 mm są jednocześnie przewodami rozdzielczymi.

• Przewody rozdzielcze – są to przewody powyżej ф 80 mm do ф 200 mm.

• Przyłącza domowe – to przewody o średnicy do 80 mm. W praktyce są to rurociągi o średnicy od 25 mm.

Przyłącze to określony odcinek sieci doprowadzający ciepło bezpośrednio do węzła cieplnego, którego zadaniem jest przekazaniem ciepła z wody krążącej w sieci do wody obecnej w instalacji odbiorczej.

Określ warunki obliczeniowe dla odbiorców c.o. oraz c.w.u.

Zapotrzebowanie na ciepło dla potrzeb odbiorców na c.o. (war. Obl. )

Qco=q_co*V/1000

Qco=q_cof*F/1000

V- kubatura całkowita budynku m³

F- powierzchnia całkowita budynku m²

Q_cof- wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania ciepła na potrzeby c.o. odniesiony do powierzchni ogrzewalnych pomieszczeń W/m²

Zapotrzebowanie na ciepło dla potrzeb odbiorców ciepłej wody użytkowej

1. Przybliżenie Q_cwuśr = q_cwu*V/1000

Q_cwu- średnio godzinowa na potrzeby cwu [kW]

q_cwu- wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania ciepła na potrzeby cwu, odniesiony do kubatury ogrzewanych pomieszczeń [W/m²]

na dzień dzisiejszy prognoza 40-60 kWh/m²

Centralne ogrzewanie – WSP. Zapotrzebowania :

• Budynki nowe < 4 kondygnacji -18,2 W/m²

• Budynki nowe > 4 kondygnacji – 16,4 2 W/m²

• Nowe wysokie z usługami – 17,6 2 W/m²

5,4 l/h– średnie zapotrzebowanie na cwu na 1 mieszkańca (130l/dobę)- praktyczne zużywanie to 70-80 l

G_{cwu max} = 5,4*n*K [kg/h]

K – współczynnik nierównomierności poboru K

K=9,32*n^-0,244 K<2;4,5>

Zadanie 2.

Węzeł cieplny stanowi zespół urządzeń służących do zamiany temp. i ciśnienia czynnika dostarczanego siecią ciepłowniczą, przekazywanie ciepła czynnikowi krążącemu w instalacji wewnętrznej oraz zapewnienia obiegu tego czynnika.

Podstawowe elementy węzła cieplnego to :

-wymienniki ciepła

-armatura regulacyjna (regulator c.w. regulator pogodowy, regulator Δp/V)

-pompy :obiegowa i cyrkulacyjna

-urządzenia zabezpieczające przed zanieczyszczeniami (filtry, odmulacze)

-urządzenia zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia i temperatury (zawór zabezpieczający, naczynie wzbiorcze, bezpiecznik temperatury c.w. STB, ogranicznik temperatury c.o. STW).

Wzór na obliczeniowy przepływ wody sieciowej dla węzła cieplnego dostarczającego ciepło na potrzeby co i cwu:

Pobieraną moc cieplną w węźle ciepłowniczym ogranicza wymiennik ciepła, ze względów konstrukcyjnych – takie jest nasze zdanie, albo regulator delta p/V.

Rys. Schemat węzła szeregowo-równoległego

Zadanie 3

Rodzaje sieci ciepłowniczych:

- (osiedlowe, miejskie, przemysłowe)

- (liniowe pierścieniowe, promieniowe, mieszane)

- (jednoprzewodowe, dwuprzewodowe i wieloprzewodowe)

- (kanałowe i preizolowane)

- (podziemne 60-70% i napowietrzne 30-40%)

Sieci ciepłownicze podziemne:

1. Kanałowe (prefabrykowane-łukowe , kątowe; nieprefabrykowane – wylewane na budowie )

2. Bez kanałowe (w rurze ochronnej, wylewane i zasypowe)

Sieci naziemne (sieć w budynkach, na niskich i wysokich słupach)

Sieci ciepłownicze preizolowane (łuków, trójników prostych, bocznych lub równoległych, zwężek (redukcji), odpowietrzeń, odwodnień, kompensatorów, punktów stałych, armatury preizolowanej)

Najpopularniejszym typem sieci kanałowej to kanał łukowy o przekroju zbliżonym do przekroju połowy koła.

Typy izolacji w sieci kanałowej:

- wełna mineralna (0,04W/mK) której powierzchnię pokrywa się bandażem z maty szklanej z gipsem

-wata szklana 0,0658-0,972 W/mK

Typy izolacji w sieci preizolowanej:

Izolacja preizolowanych rur (ze sztywnej pianki poliuretanowej o współczynniku przewodności cieplnej λ =0,027W/mK –w szczelnej osłonie lub λ =0,036W/mK – bez szczelnej osłony. Współczynniki λ waha się w granicach 0,027-0,039 W/mK). Piankę poliuretanową zabezpieczamy odpornym chemicznie płaszczem w polietylenu.

Dla sieci podziemnych najczęściej stosuje się rury osłonowe z twardego polietylenu HDPE o λ = 0,42 W/(mK)

Grubość izolacji preizolowanych rur stanowić ma:

- izolacja pogrubiona o współczynniku przewodności cieplnej 0,0275 <λ50 <0,0033 W/(mK)

- izolacja standardowa o λ50 <0,023 W/(mK), dla zakresu średnic rury przewodowej od DN do DN

- izolacja standardowa dla zakresu średnic rury przewodowej od DN wzwyż.

Armatura przemysłowa (przeznaczona do stosowania w rurociągach sieci cieplnych)(podział ze względu na rodzaje konstrukcji:

-przepustnice (rodzaj armatury w którym sterowanie przepływem odbywa się za pomocą dysku umieszczonego centrycznie lub mimośrodowo na trzpieniu napędowym, którego oś obrotu jest prostopadła do kierunku przepływającego czynnika)*

-Kurki (odcinające, regulujące)

-Zawory(*)

-Zasuwy

Podział ze względu na podstawowe funkcje:

-*Odcinająca (zamykanie, otwieranie przypływu czynnika roboczego)

-*Zwrotna (samoczynne zabezpieczenie przed zmianą kierunku przepływu czynnika roboczego)

-*Dławiąca (redukcja przepływu i ciśnienia czynnika roboczego)

-*Regulacyjna (regulowanie przepływu i ciśnienia czynnika roboczego)

Armatura przemysłowa przeznaczona do stosowania z rurociągach preizolowanych:

-preiozlowane nierozbieralne kurki kulowe

-preizolowane przepustnice z uszczelka lamelową

Zadanie 4

α = Qmax/QEC – współczynnik skojarzenia

Współczynnik skojarzenia jest to stosunek ilości energii elektrycznej wytworzonej w układzie skojarzonym do ilości ciepła oddawanego do sieci ciepłowniczej

optymalna wartość α jest < 1 ponieważ najkorzystniej jest gdy źródła podstawowe zapewniają jak największą produkcję ciepła.

Optymalne wartości współczynnika skojarzenia:

0,4 – 0,55 →dla obciążeń ogrzewniczych przy

zastosowaniu turbin przeciwprężnych i kotłów

wodnych szczytowych

0,6 – 0,7 →dla turbozespołów ciepłowniczokondensacyjnych

0,7 – 1 →dla obciążeń technologicznych

Współczynnik skojarzenia jest mniejszy od 1 ponieważ jest nieopłacalne uruchamiać np kotły wodne w celu uzupełnienia szczytowych zapotrzebowań. Uruchamianie urządzeń szczytowych jest kosztowne.
opis do wykresu:
ks -koszty stałe.
Im większa α tym mocniejszy mamy kocioł w układzie kogeneracji. Im większa α tym mniejszy czas wykorzystania jego mocy maksymalnej.
kz- koszty zmienne

Tańsze ciepło z kogeneracji więc im więcej ciepła mamy tym tańsze kz naszej ciepłowni.

Zadanie 5

Przy wysokich temperaturach obliczeniowych zmniejszanie gmin powoduje początkowo obniżenie kosztu wytwarzania, co wynika głownie z obniżenia temperatury wody sieciowej powrotnej w okresie przejściowym. Znaczne obniżanie wartości gmin prowadzi do wzrostu kosztu wytwarzania,

gdyż wiąże się z podwyższanie temperatury wody sieciowej na wyjściu z EC w więc i na wylocie z bloków ciepłowniczych. Prowadzi to do zmniejszenia skojarzonej produkcji energii elektrycznej. W efekcie następuje wzrost kosztów jednostkowych ciepła wytwarzanego w EC.

Przy coraz niższych temperaturach obliczeniowych optymalna z punktu widzenia wytwarzania ciepła w EC wartość ulega zmniejszeniu. Przy najniższych Tszo/Tspo największe korzyści przypadaja dla niskich wartości gmin, Wynika to ze znacznego obniżenia temperatury wody sieciowej powrotnej. Jednak ze względu na konieczność zachowania minimalnej wartości

temperatury wody na wyjściu z EC na poziomie 70 °C, w rzeczywistość to zmniejszenie będzie

1. nieco niższe niż przyjeto na “modelowych” wykresach regulacyjnych.

Zadanie 6

Upustowo- kondensacyjny

Upustowo przecieprężny

Zależności mocy elektrycznej od mocy ciepłowniczej dla obu rodzajów bloku:

P_p = D_ui_uη_em

P_k = D_kiη_em

Q_p = D_ui_q

Zadanie.7

Dlaczego skojarzone wytwarzanie ciepła i en. El jest pod względem energetycznym korzystniejsze od gosp rozdzielonej? Uzasadnij wykorzystując np. pojęcie ”oszczędności paliwa” lub „jednostkowego zużycia paliwa na produkcję ciepła w EC”.

100 jednostek ciepła i 40 jednostek elektryczności wytwarzanych w ciepłowni o sprawności 0,85 i w elektrowni kondensacyjnej o sprawności 0,36 wymaga zużycia 230 jednostek energii chemicznej paliw pierwotnych. Te same ilości ciepła i elektryczności można pozyskać w elektrociepłowni o sprawności 0,8 kosztem zużycia 175 jednostek energii chemicznej paliw pierwotnych. Zmniejszenie zużycia energii chemicznej paliw pierwotnych uzyskane dzięki realizacji skojarzonej gospodarki cieplno energetycznej wynosi 55jednostek, co w odniesieniu do zużycia paliw pierwotnych w gospodarce rozdzielonej stanowi 24%. Każde zmniejszenie zużycia paliw pierwotnych prowadzi do obniżenia emisji szkodliwych substancji w tym CO₂ wpływającego na efekt cieplarniany. Realizacja skojarzenia jest możliwa jeżeli istnieje zapotrzebowanie na ciepło użytkowe.

Pytanie dodatkowe.

Ustawa o Kogeneracji znajduje się w dyrektywie 2004/8/EC

Podział kosztów: jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej, jednostkowy koszt produkcji ciepła, jednostkowy koszt produkcji ciepła o różnych parametrach ciśnienia.

Zadanie 8 EC wytwarza ciepło i energię elektryczną. Graficznie i opisowo scharakteryzuj różne możliwe sposoby podziału kosztów całkowtych miedzy produkcją ciepła i en. Elektrycznej w EC. Jaka metoda podziału spełnia kryt. Poprawności ekonomicznej i dlaczego.

Równanie bilansu kosztów dla elektrociepłowni ma postać

Gdzie:

K_Rec- roczne koszty działania elektrociepłowni,

Q_R,E_elR- roczna produkcja ciepła i energii elektrycznej w elektrociepłowni

k_cec,k_elec- koszt jednostkowy ciepła grzejnego i energii elektrycznej produkowanych w elektrociepłowni.

Wielkościami poszukiwanymi w rów. Wyżej są koszty jednostkowe ciepła (produkt główny) i energii elektrycznej (produkt uboczny). Dla rozwiązania problemu podziału kosztów konieczna jest więc dodatkowa zależność pomiędzy poszukiwanymi niewiadomymi.

Dyskusję metod podziału kosztów w elektrociepłowni dogodnie jest prowadzić w oparciu o przekształcone rów. powyższe do postaci równania odcinkowego linii prostej:

Graficzna interpretacja podziału kosztów wytwarzania w elektrociepłowni

Rozwiązanie leży na odcinku prostej którą wyznaczają rzędne i odcięte. Pkt 1 jest następstwem zastosowania zasady zastępowania przez energię elektryczną wytworzoną w skojarzeniu energii elektrycznej produkowanej w elektrowni granicznej krajowego systemu elektroenergetycznego. Metoda ta zaproponowana przez Wagnera pod nazwą metody elektrowni równoważnej, została rozwinięta przez Szarguta. Znana jest także pod nazwą metody procesu zastąpionego lub metody kosztu granicznego (marginalnego). Metoda ta spełnia kryterium poprawności ekonomicznej!

Inną metodą stosowaną dotychczas w Polsce to metoda fizyczna (punkt 2 na wykresie), w której koszty określa się proporcjonalnie do ilości wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła. Prowadzi to do następującego rozwiązania:

Jednak metoda ta jest błędna.

Również metoda kompromisowa (punkt 3 na wykresie), która polega na podziale korzyści skojarzonej gospodarki cieplnoelektrycznej między ciepło i energię elektryczną prowadzi do błędnych wyników przy dostatecznie niskim ciśnieniu pary przeciwprężnej.

Próbowano również stosować metodę egzegetyczną podziału kosztów (punkt 4 na wykresie), która bazuje również na niezbyt ścisłym założeniu, że jednostka egzergii ma tę samą wartość bez względu na jakość energii, chociaż w przypadku elektrociepłowni założenie to prowadzi do niezbyt dużych błędów.