Optymalizacja parametrów transportu ciepła w sieciach hydraulicznych dalekiego zasięgu

Transkrypt

1 SKOWROŃSKI Marek 1 SZULC Premysła 2 MACHALSKI Artur 3 Optymaliacja parametró transportu ciepła sieciach hydraulicnych dalekiego asięgu 1. DEFINICJA PARAMETRÓW TRANSPORTU CIEPŁA Transport ciepła na duże odległości, premyśle, jest realioany ykorystaniem układó pompoych, których jako nośnik ciepła ykorystyana jest oda. Prykładami takich układó są roległe sieci ciepłonice, spółpracujące aodoymi ciepłoniami i elektrociepłoniami ora sieci klimatyacji centralnej kopalń podiemnych. Układy pompoe, służące do transportu ciepła, odnacają się relatynie małymi mianami ciśnienia. Zmiany te nie płyają na mianę łaściości termodynamicnych ody, co poala na pryjęcie, obliceniach inżynierskich, stałej artości ciepła łaściego cp. Dięki temu jednostkoa energia enętrna ciecy u określona jest prostym orem: T temperatura, cp ciepło łaście. u c Do opisu topologii sieci transportu ciepła ykorystyana jest teoria grafó. Elementy prepłyoe i cieplne, tym apisie, repreentoane są pre graf skieroany, pokaany na rysunku 1. p T (1) Rys.1. Graf skieroany repreentujący element cieplny, N 1 ęeł pocątkoy, N 2 ęeł końcoy, EC element cieplny, Q prepły pre element, t funkcja temperatury elementu cieplnego, T 1 temperatura ęźle pocątkoym, T 2 temperatura ęźle końcoym Element cieplny EC repreentuje aróno łaściości hydraulicne, jak i cieplne elementu recyistego sieci. Pry toreniu modeli matematycnych sieci transportoych, element cieplny jest repreentoany pre obiekt połącenia, baujący na technologii programoania obiektoego. Za pomocą tych obiektó możlie jest opisanie systkich obiektó recyistych, ystępujących sieciach transportu ciepła, takich jak: 1 Politechnika Wrocłaska, Wydiał Mechanicno Energetycny; Wrocła; ul. Wybreże Wyspiańskiego 27. Tel: , marek.skoronski@pr.edu.pl 2 Politechnika Wrocłaska, Wydiał Mechanicno Energetycny; Wrocła; ul. Wybreże Wyspiańskiego 27. Tel: , premysla.sulc@pr.edu.pl 3 Politechnika Wrocłaska, Wydiał Mechanicno Energetycny; Wrocła; ul. Wybreże Wyspiańskiego 27. Tel: , artur.machalski@pr.edu.pl 5662

2 źródła energii cieplnej: kotły, urądenia klimatyacyjne itp., odbiorniki ciepła: ymienniki ciepła, chłodnice i nagrenice entylatoroe itp., rurociągi ioloane i nieioloane ra ymianą ciepła otoceniem ora procesami skraplania, aory regulacyjne: dłaiące, redukcyjne, maksymalne, stałego ciśnienia, pompy. Prykład prostego układu pompoego, transportującego ciepło, predstaiono na rysunku.2. Rys. 2. Model transportu ciepła Elementy cieplne torące układ transportu: źródło ciepła, odbiornik ciepła, pompa, aór, rurociąg. W sieciach ciepłonicych źródłami są ciepłonie i elektrociepłonie aodoe, a odbiornikami ęły cieplne i nagrenice entylatoroe. W układach tych temperatura ody jest ykle nacnie yżsa niż temperatura otocenia. W rurociągach tranytoych ystępują istotne straty preodenia, od ciecy nośnej na enątr. Straty te poodują obniżanie temperatury ody. W prypadku sieci klimatyacyjnych, źródłami chłodu są stacje klimatyacyjne. W układach tych oda lodoa ma temperaturę niżsą od temperatury otocenia i tym prypadku, podcas transportu ystępują straty chłodu, ynikające preodenia ciepła enątr, od otocenia do nętra rury. Pooduje to rost temperatury ody lodoej i obniża możliość prekaania mocy chłodnicej ymiennikach końcoych. 2. OPIS MATEMATYCZNY SIECI DALEKIEGO ZASIĘGU W ropatryanym modelu bieremy pod uagę oblicenia stacjonarne i nie uględniamy, jednym kroku oblicenioym, mian parametró pracy elementó cieplnych, spoodoanych np. mianą prędkości obrotoej pomp, mianą temperatury otocenia i innych. Dla każdego połącenia cieplnego definioane są: funkcja prepłyu i funkcja temperatury. 5663

3 Jednoparametroa funkcja prepłyu h(q), nieależnie od typu elementu, opisuje różnicę ysokości energii hydraulicnej ęłach elementu prepłyoego. Wartości funkcji prepłyu są ynacane: dla rurociągó na podstaie start linioych i miejscoych, dla pomp na podstaie charakterystyk energetycnych, dla aoró na podstaie charakterystyk regulacyjnych. Duparametroą funkcję temperatury t(p c,q) możemy apisać orem: Wartości prepłyó elementach cieplnych są określone modułach obliceń hydraulicnych. Na podstaie nanej artości prepłyu Q, pry ałożeniu stałej artości gęstości i ciepła łaściego c p, funkcja temperatury pryjmuje postać: Q prepły, gęstość, c p ciepło łaście, P c strumień ciepła (moc cieplna). h h t ij Pcji Q c Model elementu cieplnego, o ustalonej artości mocy cieplnej P c, predstaiono na rysunku.3. ij Q ij ij t ij f Pc, Q p (2) (3) (4) Rys. 3. Schemat funkcjonalny elementu cieplnego Zgodnie pryjętym ałożeniem transportu ustalonego, moc P c, gęstość i ciepło łaście c p mają artości stałe. Z analiy oru (4) ynika, że funkcja temperatury elementu cieplnego ma postać hiperboli, pokaanej na rysunku 4. Rys 4. Funkcja temperatury elementu cieplnego 5664

4 W transporcie ciepła scególną rolę odgryają rurociągi. Funkcja temperatury dla rurociągu opisana jest rónaniem (5). 1 tij P P Q c (5) P moc cieplna ynikająca procesó enętrnych np. oporó prepłyu, P moc cieplna ynikająca ymiany otoceniem. Straty hydraulicne rurociągach całkoicie amieniają się ciepło, co można apisać orem (6). p P Q p Q h g (6) Opory prepłyu rurociągu opisuje ór Darcy-Weisbacha. Na tej podstaie moc potrebną do transportu ciecy nośnej określa ór (7). P 2 l Q g d 2 g l 8 Q 2 4 d d 3 (7) Jak ynika e oru (7) moc cieplna strat enętrnych rasta trecią potęgą prepłyu. Podstaoy schemat oblicenioy ymiany ciepła, międy ciecą nośną a otoceniem, pokaano na rysunku 5. Rys. 5. Schemat ymiany ciepła otoceniem rurociągu Zmiany temperatury ciecy, międy ęłami N 1 i N 2 połąceń cieplnych, są małe porónaniu różnicą temperatury enętrnej T i enętrnej T. Z ystarcającą dokładnością możemy pryjąć temperaturę ciecy T, jako średnią artość temperatur ęłach końcoych elementu, ór (8). T / 2 T 1 T 2 (8) Podstaoy ór na moc cieplną ymiany otoceniem, pre rurociąg, opisują ory (9) i (10). P Lk T T (9) 5665

5 k 1 d 1 d ln d 1 2 d (10) L długość rury, k spółcynnik prenikania, T temperatura enętrna, T temperatura enętrna, spółcynnik nikania ciepła na enątr, spółcynnik nikania ciepła enątr, spółcynnik preodenia, d średnica enętrna, d średnica enętrna. W ogólnym prypadku, ór na moc cieplną enętrną jest łożoną funkcją ielu miennych. 3. WSKAŹNIKI DOBROCI UKŁADU TRANSPORTU CIEPŁA W pracy ostaną omóione try skaźniki, poalające na ocenę cieplną elementó jak i całego układu. Spraność cieplna rurociągó określana jest orem: P P P P Q c P c moc chłodnica rurociągu, P h moc strat hydraulicnych, P niekorystna moc ymiany ciepła otoceniem. cp h P c h p t (11) Jednostkoa miana temperatury ciecy nośnej określona jest orem (12). i t t T2 T1 L L t = T2-T1 rost lub spadek temperatury międy ęłami elementu cieplnego, L = L 12 długość elementu cieplnego. 12 (12) Wskaźnik strat transportu określa stosunek: mocy strat układie P s do mocy strat transportu arunkach optymalnych P s_opt. Moc strat arunkach optymalnych jest ynacana dla ałożonego poiomu iolacji, pry optymalnej średnicy rur i optymalnej prędkości prepłyu ciecy nośnej. s Ps P s i _ optj (13) Wskaźnik ten, podobnie jak spraność transportu, może być stosoany globalnie lub lokalnie. 5666

6 4. OPTYMALNA PRĘDKOŚĆ TRANSPORTU CIEPŁA Do anali strat ybrano rurociąg referencyjny, polietylenoy (PE), ioloany poliuretanem (PU) o parametrach: D = 350 mm średnica enętrna, g s = 29,3 mm grubość ścianki, g s = 109,8 mm grubość iolacji, L = 1000 m długość rurociągu, = 0,035 W/(mK) spółcynnik preodenia, t = 20 K różnica temperatur enątr i na enątr rurociągu. Oblicenia miany temperatury transportoanej ciecy, spoodoane stratami prepłyu i ymianą ciepła otoceniem, predstaiono na rysunku 6. Rys. 6. Jednostkoa miana temperatury ciecy spoodoana: a) stratami prepłyu, b) ymianą ciepła otoceniem Jak ynika analiy ykresu na rysunku 6, jednostkoa miana temperatury ciecy, spoodoana stratami hydraulicnymi, jednostajnie rośnie ra prędkością transportu. Natomiast miana temperatury spoodoana ymianą ciepła otoceniem spada. Onac to, że istnieje optymalna prędkość transportu ciepła, pry określonych parametrach grubości iolacji rurociągu i określonej różnicy temperatur. Prykład obliceń prędkości optymalnej, dla transportu ody lodoej, pokaano na rysunku 7. Rys. 7. Optymalna prędkość transportu ody lodoej 5667

7 Wartości optymalnych prędkości transportu ody lodoej, ależności od różnicy temperatur na enątr i enątr rurociągu, dla typoych rurociągó stosonych premyśle, predstaiono na rysunku 8. Rys. 8. Optymalne prędkości transportu ody lodoej ależności od różnicy temperatur i średnicy rurociągu 5. PROCEDURY WYZNACZANIA PRĘDKOŚCI OPTYMALNEJ W SYSTEMACH SYMULACJI PRACY UKŁADÓW TRANSPORTU CIEPŁA W prypadku łożonych układó transportu ciepła, np. sieciach klimatyacyjnych głębokich kopalń, koniecna jest analia prepłyó i ymiany ciepła całej sieci. Narędiem poalającym na modeloanie i symulację pracy, łożonych układó transportu ciepła, są programy komputeroe HydroNet i KlimaNet. Programy tego typu są ykorystyane pre projektantó, jak i operatoró sieci celu określania optymalnych parametró pracy. W programach tych ykorystano opisane procedury do anali pojedyncych rurociągó i diagnostyki całych sieci transportoych. Rys. 9. Lista parametró opisujących prepły i ymianę ciepła ybranego odcinka sieci 5668

8 Na rysunku 9. predstaiono okno informacyjne dla ybranego rurociągu, pracującego roległej sieci klimatyacyjnej. Okno aiera listę parametró opisujących: średnice rurociągu, długość, grubość i rodaj iolacji itp. W dolnej cęści okna yśietlane są: aktualne artości prepłyu i parametry opisujące ymianę ciepła. Na rysunku 10 predstaiono akładkę "Optymalny prepły" okna informacyjnego, którym projektant lub operator może na bieżąco spradić cy rurociąg pracuje optymalnymi parametrami. Na rysunku, na kryej pryrostu temperatury połąceniu, anacony jest a pomocą ceronej kropki aktualny punkt pracy rurociągu Q = 13 m 3 /h. Z analiy prebiegu tej kryej ynika, że aby osiągnąć minimalny pryrost temperatury, należy nacąco ięksyć prepły. W arunkach eksploatacyjnych takie ięksenie prepłyu nie ase jest możlie, np. e ględu na rokład apotreboania na ciepło lub chłód. Rys. 10. Optymalny prepły ody lodoej ybranym rurociągu sieci W ielu prypadkach, podcas analiy pracy sieci, amiast proadić optymaliację pre mianę prepłyu, lepsym roiąaniem jest dopasoanie średnicy rurociągó presyłoych do adanych parametró. Taki prypadek pokaano na rysunku 11. Cerona kropka na akładce "Optymalna średnica" onaca aktualną średnicę rurociągu D = 90 mm. Pryrost temperatury ciecy na analioanym odcinku ynosi t = 0,68. Z analiy kryej na rysunku 11 ynika, że mniejsy pryrost temperatury ystąpi pry astosoaniu optymalnej średnicy rurociągu D = 65 mm. Rys. 11. Optymalna średnica rurociągu dla ybranego połącenia sieci 5669

9 PODSUMOWANIE Predstaione analiy teoretycne pracy rurociągó, służących do transportu ciepła i chłodu, ykaały, że dla określonego bioru parametró hydraulicnych i cieplnych rurociągu, istnieje optymalna prędkość prepłyu ciecy nośnej, garantująca minimalne miany temperatury. Optymalna prędkość może być osiągnięta pre amianę strumienia lub mianę średnicy rurociągu. W prypadku łożonych sieci transportu chłodu, takich jak układy klimatyacji centralnej kopalń podiemnych, których topologia sieci i topografia miejsc dostarcania chłodu są mienne, koniecne jest ykorystanie do tego celu ydajnego oprogramoania komputeroego, które na bieżąco poala na optymaliację poscególnych rurociągó jak i całej sieci Strescenie W pracy dokonano analiy strat, podcas transportu ciepła i chłodu rurociągami, ykorystaniem ciecy nośnej. Predstaiono sposób opisu matematycnego sieci i metod modeloania elementó hydraulicnie i cieplnie aktynych, ykorystaniem teorii grafó. Predstaiono podstaoe funkcje opisujące straty hydraulicne i ymianę ciepła, międy ciecą rurociągach i otoceniem. Na podstaie anali teoretycnych ykaano, że istnieje optymalna prędkość prepłyu ciecy nośnej, garantująca minimalne miany temperatury. Podano definicję skaźnikó służących do oceny pracy układó transportu ciepła. Dokonano obliceń transportu dla ybranego rurociągu referencyjnego i sporądono ykres optymalnych prędkości, dla typoych rurociągó stosoanych premyśle. Predstaiono sposób ykorystania metod optymaliacji transportu dużych sieciach transportu chłodu. Słoa klucoe: średnica optymalna rurociągu, straty transportu chłodu The optimiation of heat transport parameters in long distance hydraulic nets Abstract This paper presents the analysis of losses during transportation of heat and cold through pipes ith usage of transfer liquid. Mathematical description of netork and simulation methods of hydraulic and thermoactive elements ith usage of graph theory is presented ith the description of the main functions representing hydraulic losses and heat exchange beteen the liquid in the pipes and the environment. On the basis of theoretical analysis as shon that there is an optimal flo rate of transfer liquid, hich ensures minimal changes in temperature. Definition of coefficients used for assessing ork of heat transfer systems as given. Calculations of transport in reference pipeline ere carried out along ith chart presentation of velocities for typical pipe siings used in the industry. Usage of optimiation methods as presented for cold transport in vast netorks. Keyords: optimal diameter of pipeline, loses in cool transport BIBLIOGRAFIA 1. Jędral W., Pompy iroe. Oficyna Wydanica Politechniki Warsaskiej, Warsaa Kalinoski E., Prekayanie ciała i ymienniki, Oficyna Wydanica Politechniki Wrocłaskiej, Wrocła Skoroński M., Układy pompoe, Oficyna Wydanica Politechniki Wrocłaskiej, Wrocła Skoroński M., Oblicenia hydraulicne i cieplne układó pompoych, monografia prygotoaniu. 5670