Теплоснабжение. Характеристика источников теплоэнергий (тепловые электростанции, ТЭЦ, ГЭС, АЭС).

Все стороны деятельности человека, и в том числе природоохранная деятельность, неразрывно связанно с производством и потреблением энергии, прежде всего электрической. Однако резкий рост темпов развития энергетики, без которого пока что немыслим научно - технический процесс, ставит две важнейшие проблемы, от успешного решения которых во многом зависит будущее человечества.

Во-первых, это проблема обеспеченности энергетическими ресурсами, во-вторых, проблема влияния энергетики на состояние окружающей среды.

Существует довольно много источников энергии, отличающихся друг от друга не только физическими и химическими, но и по величине запасов, исчерпаемости и возобновляемости, воздействию на окружающую среду и стоимости. В настоящее время выбор того или иного источника определяется, главным образом, именно затратами, связанными с добычей и потреблением энергии. При этом часто не учитывается экологический и социальный ущерб.

Энергетика является одной из самых загрязняющих отраслей народного хозяйства. При неразумном подходе происходит нарушение нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха, почвы, воды, животного и растительного мира), а в исключительных случаях, подобных Чернобылю, под угрозой оказывается сама жизнь. Поэтому главным должен стать подход с экологических позиций, учитывающих интересы не только настоящего, но и будущего.

Наиболее распространенной в настоящее время является теплоэнергетика, обеспечивающая нашу страну ¾ всей вырабатываемой энергии. Теплоэнергетика основывается на сжигании различных видов органического топлив – нефти, газа, угля, торф, сланца.

Каждый из этих видов имеет свои плюсы и минусы, как с экологической, так и с экономической точки зрения. Например, капитальные вложения и сроки строительства меньше для тепловых электростанций (ТЭС, ГРЭС), зато себестоимость вырабатываемой энергии оказывается ниже у гидростанций (ГЭС) и даже атомных станций (АЭС).

Вот такие экономические критерии и используются в настоящее время при выборе тех или иных типов электростанций, а влияние их на окружающую среду учитывается недостаточно.

ТЭС является одними из основных загрязнителей атмосферы твердыми частицами золы, окислами серы и азота, другими веществами, оказывая вредное воздействие на здоровье людей, а также углекислым газом, способствующим возникновению «парникового эффекта».

ГЭС, особенно на равнинных реках, например на Волге, связаны со строительством крупных плотин и водохранилищ, а это ведет к затоплению ценных сельскохозяйственных угодий, лесов, памятников природы, культуры и архитектуры, переселению людей из родных мест, гибели значительного количества рыбы, замедлению скорости течения реки, что значительно снижает ее способность к самоочищению, изменению местного климата из – за повышения влажности и др. только ГЭС, построенные на горных реках с естественными водопадами, к тому же не слишком мощные, лишены значительной части указанных недостатков.

АЭС в нормальном, безаварийном состоянии наносят значительно меньший ущерб окружающей среде, чем ТЭС и ГЭС. После Чернобыля было значительно повышено внимание к проблеме безопасной их эксплуатации.

Теплоснабжение населенных мест и промышленных предприятий. Виды топлива и топливный баланс. Микроклимат, обеспечение теплом и тепловые потери в помещениях. Сведения об отоплении и требования к теплотехническим системам. Нагревательные приборы и оборудования отопительных систем.

Тепло в системах централизованного теплоснабжения расходуется на нужды отопления здания, подогрева воздуха в системах горячего водоснабжения и на технологические нужды промышленных предприятий. В соответствии с этим требованиями тепла являются относительные и вентиляционные системы зданий, системы горячего водоснабжения и различные аппараты в промышленности.

Использование тепла на отоплении, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологию называется теплопотреблением. Система отопления здания компенсирует тепловые потери ограждающими конструкциями здания (стенами, окнами, чердачным перекрытием, полом первого этажа).

Переход тепла через ограждающие конструкции происходит в том случае, когда температура наружного воздуха ниже температуры воздуха в помещении. Нагрев воздуха для вентиляции помещений будет требоваться при том же условии, т.е. когда температура забираемого воздуха (наружного) будет ниже температуры воздуха в вентилируемом помещении и в ряде случаев дополнительно тепло расходуется на подсушку наружного воздуха.

Тепловые нагрузки (теплопотребление) систем теплоснабжения можно разбить на две группы по времени потребления тепла в течении года: сезонная и круглогодичная нагрузки. К сезонной тепловой нагрузке можно отнести отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха; к круглогодичной – горячее водоснабжения и технологическую нагрузку.

Время работы систем отопления в течении года называется отопительным сезоном (периодом). Продолжительность отопительного периода для каждой местности назначается по числу дней и устойчивой средней суточной температурой наружного воздуха 8 ^оС и ниже. Начало и конец отопительного сезона для промышленных зданий условно соответствует наружной температуре, при которой тепловые потери ограждающими конструкциями зданий делятся равными постоянным внутренним тепловыделением в зданиях.

Внутренним тепловыделением называют выделение тепла от людей, работающего оборудования, горячих поверхностей печей, разогретого металла, выделяющихся паров, горячих газов, электроосветительных приборов и др. Величина тепловыделений для большинства промышленных зданий постоянна и значительна, а поэтому длительность отопительного сезона для них короче, чем для жилых и общественных зданий. Различают расчетные теплопотери и годовой расход тепла.

Максимальный расчетный расход тепла (кВт) на отопление (теплопотери) всего здания определяют по формуле:

Q₀=q_o* V_н*10^-3(t_в-t_н.о);

где: Q₀ – расход тепла на отопительные (тепловые потери всеми ограждающими конструкциями зданий), кВт; q₀ – удельная отопительная характеристика здания при температуре t_н = -30 ^оС, Вт/(м³ * ^оС), т.е. потери тепла 1м³ здания по наружному обмеру при разности внутренней и наружной температуре в 1 ^оС; V_н – объем здания по наружному обмеру (без подвала), м³, t_в – усредненная расчетная температура внутреннего воздуха, ^оС, t_н0 – расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, С^о.

Общественные характеристики жилых и общественных зданий (в Вт/(м³*С^о)) при, t_н0 = -30 С^о в зависимости от этажного здания.

Одноэтажные……… 0, 70 – 0, 83

2 – 3 ………………...0, 47 – 0, 58

4-5 ………………….. 0, 42 – 0, 47

6 этажей и более …….0, 35 – 0, 47

Годовой расход на отопление (кДж) можно найти по формуле:

Q_{о, год}= Q_{о, ср*}n_o*3600_*24;

Где Q_{о, ср} средний за отопительный период расход тепла на отопление, кВт, найденный по формуле:

Q′ _о= Q_о*(t_в-t′ _н/t_в-t_н.о);

Где Q_о расчетный расход тепла на отопление, кВт; t′ _н текущие значение температуры наружного воздуха, ^оС; n_o число суток отопительного периода.

Топливом называют горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения значительных количеств тепловой энергии.

Основным его видом является органическое топливо, образовавшегося из остатков растительного и животного происхождения под давлением и без доступа воздуха в течении длительного времени.

По агрегатному состоянию топливо можно разделить на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное, добываемое из недр земли, и искусственное, получаемое путем химической, или механической переработки естественного топлива (табл.)

Древесина является наиболее распространенным видом топлива для печей.

Торф представляет собой продукт разложения растительных веществ.

Антрациты представляет собой старый по своему геологическому возрасту вид ископаемых углей с большим содержанием углерода. Теплота сгорания 25500 – 297000 кДж/кг.

Горючие сланцы являются продуктом разложения растительных и животных организмов под водой без доступа воздуха.

Тепловым балансом котлоагрегата называется распределение теплоты, выделившийся при сжигание топлива на полезно использованную теплоту и тепловые потери, возникающие при его работе.

Уравнение теплового баланса котлоагрегата для 1 кг сжиженного твердого топлива имеет вид:

Q_р^р = Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄+ Q₅+ Q₆;

где: Q_р^р - располагаемая теплота; Q₁ – полезно использованная теплота, расходуемая на образование пара или нагревание воды; Q₂ – потери теплоты с уходящими газами; Q₃ и Q₄ – потери теплоты вследствие химической и механической неполноты сгорания топлива; Q₅ – потери теплоты в ОС; Q₆ – потери теплоты с физической теплотой шлаков.

После деления каждого слагаемого правой части уравнения на Q_р^р и умножения на 100%, получим другой вид теплового баланса;

100 = q₁+ q₂+ q₃+ q₄+ q₅+ q₆;

Рассмотрим кратко факторы, от которых зависит тепловые потери в котлоагрегате:

1. потери теплоты с уходящими газами q₂ является наибольшей из всех потерь теплоты, она может достигать 8- 10 %. Эти потери возникают в связи с тем, что продукты сгорания, выходя из котлоагрегата, имеют температуру выше температуры окружающего воздуха. Чем выше температура уходящих газов, тем больше тепло потери.

2. потери теплоты от химической неполноте сгорания топлива q₃ тем, значительней, чем ниже температуре в топке, ниже перемешивания топлива с воздухом, чем меньше длительность пребывания топлива в топке. Для механических и полумеханических топок q₃ = 3%, для камерных топок 0, 5 – 1%;

3. механическая неполнота сгорания топлива q₄ является результатом неучастия во всех стадиях процесса горения части топлива, поступившегося в топку (унос мелкодиспресных частиц топлива дымовыми газами, провал их через зазоры колосниковой решетки и др.). для слоевых механических и полумеханических топлив q₄ = 1 – 10%, для камерных топок 1 – 6%;

4. потери теплоты в ОС q₅ зависит от температуры наружных поверхностей котлоагрегата, тепло изоляции, тепловой мощности котлоагрегата и др. в зависимости от мощности котлоагрегата величина q₅ = 0, 2 до 0, 7%;

5. потери теплоты с физической теплотой шлаков q₆ зависти от способа шлакоудаления. При сухом шлакоудалении это величина составляет 1- 1, 5%, а при жидком шлакоудалении в камерных топках 1 – 3%.

Под микроклиматом помещения понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Основное требование к микроклимату – поддерживание благоприятных условий для людей находящихся в помещений. В результате протекающих в организме человека процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота путем конвекции, излучения, теплопроводности и испарения должна быть передана ОС, поскольку организм человека стремится к сохранению постоянной температуре (36, 6).

Поддержание постоянной температуры организма обеспечивает физиологическая система терморегуляции. Для нормальной жизнедеятельности и хорошего самочувствия человека должен быть тепловой баланс между теплотой, отдаваемой ОС. При обычных условия более 90% вырабатываемой теплоты отдается ОС (половина теплоты – излучением, четверть – конвекцией, четверть - испарением) и менее 10 % теплоты теряется в результате обмена веществ.

Процесс конвекции происходит лишь в жидкостях и газах, и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкостей или газов.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещений, характеризующегося температуры внутреннего воздуха, радиационной температуры помещения (осредненной температуры его ограждающихся поверхностей) t_R, скоростью движения (подвижностью) и относительной влажностью воздуха. Сочетание этих параметров микроклимата, при которых сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции, называют комфортными или оптимальными.

Требуемых микроклимат в помещении создается следующими системами инженерного оборудования здания: отопление, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответствующими нормами.

Системы вентиляции предназначены для удаления из помещения загрязненного и подачу в них чистого воздуха.

Системы кондиционирования воздуха является более совершенными средствами создания и обеспечения в помещениях улучшенного микроклимата, т.е. заданных параметров воздуха: температуры, влажности, и частоты при допустимой скорости движения воздуха в помещений независимо наружных метеорологических условий и перемешенных по времени вредных выделений в помещений.

Системы отопления включаете в себя три основных элемента: теплогенератор 1, служащих для получения теплоты и передачи ее теплоносителям, системы теплопроводов 2, для транспортировки по ним теплосистемы от теплогенератора к отопительным приборам и отопительных приборов 3, передающих теплоту от теплоносителя воздуху и ограждением помещениям.

Классификацию систем отопления проводят по ряду признаков:

1. по взаимному расположению основных элементов системы отопление подразделяются на центральные и местные.

Центральными называют системы отопления предназначенные для отопления нескольких помещений из одного теплового пункта, где находится теплоагрегатор (котельная ТЭЦ).

Местными системами отопления называют такой вид отопления при котором все три основных элемента конструктивно объединены в одном устройстве установленном в обогреваемом помещении. Примером местной системы отопления является отопительная печь, имеющая теплогенератор (топливник), теплопроводы (газоходы внутри печи) и отопительные приборы (стенки печи).

2. по виду теплоносителя, предающего теплоту отопительными приборами в помещения центральные системы отопления подразделяются на водяные, воздушные, паровые и комбинированные. (например, пароводяные, паровоздушные).

3. по способу циркуляции теплоносителя центральные и местные системы водяного и воздушного отопления подразделяются на системы с естественной циркуляцией за счет разности плотностей холодного и горячего теплоносителя и системы с искусственной циркуляцией за счет работы насоса.

4. по параметром теплоносителя центральные паровые и водяные системы подразделяются на водяные низко температурными с водой до 100 ^оС и высоко температурной воды более 100 ^оС, на паровые системы низкого (Р = 0, 1 – 0, 17 МПа), высокого (Р = 0, 17 – 0, 3 МПа) давления и вакуум – паровые с давлением р < 0, 1 МПа.

Системы отопления является одной из строительно – технологических установок зданий, которая должна отвечать следующим основным требованием:

1. санитарно – гигиеническим – обеспечивать необходимые внутренние температуры, регламентируемые соответствующими СНиП, без ухудшения состояния воздушной среды;

2. экономические – обеспечивать наименьшее приведенные затраты при уменьшение расхода металла;

3. строительные – предусматривать размещения отопительных элементов в увязке с архитектурной – планировочной и конструктивной решениями здания без нарушения прочности основных конструкций при монтаже и ремонте отопления;

4. монтажным – предусматривать возможность монтажа индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров и ограниченном применении узлов и деталей индивидуального изготовления.

5. эксплуатационном – характеризоваться простатой и удобством управления, ремонта, бесшумностью и безопасностью действия;

6. эстетическим – хорошо гармонировать с внутренней отделкой помещения, и не занимать излишних площадей.