Grejanje, toplifikacija i snabdevanje gasom.pdf

UNIVERZITET U NIŠU MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU

Velimir Stefanović

GREJANJE, TOPLIFIKACIJA I SNABDEVANJE GASOM

Niš, 2011.

UNIVERZITET U NIŠU MAŠINSKI FAKULTET U NIŠU Dr Velimir Stefanović, dipl. inž. maš. GREJANJE, TOPLIFIKACIJA I SNABDEVANJE GASOM Prvo izdanje Izdavač: Mašinski fakultet u Nišu Za izdavača: Prof. dr Vlastmir Nikolić, dipl. inž. maš.

Recenzenti: Prof. dr Slobodan Laković, dipl. inž. maš. Prof. dr Milorad Bojić, dipl. inž. maš.

Prelom: Dragan Stevanović, dipl. inž. maš. Korice: Rodoljub Avramović, inž.

Štampa: MKops Centar Niš Tiraž: 200 primeraka ISBN 978-86-6055-001-1 Odluka Nastavno-naučnog veća Mašinskog fakulteta br. 612-171-12/2006. Preštampavanje i umnožavanje nije dozvoljeno.

Mojoj porodici

Predgovor Kniga Grejanje, toplifikacija i snabdevanje gasom nastala je iz želje autora da pokuša da tri značajne oblasti mašinstva kojima se bavi dugi niz godina, prikaže na jedan interesantan i pristupačan način sa jasnom željom da služi kao osnovna udžbenička literatura studentima na profilu termotehnika i termoenergetika, energetika, i energetika i procesna tehnika na Mašinskom fakultetu u Nišu, mada će sigurno biti od koristi i studentima poslediplomskih, specijalističkih i doktorskih studija, odnosno širem krugu zainteresovanih čitalaca kojima su ove interesantne oblasti mašinstva od značaja za svakodnevnu praksu. Poslednjih desetak godina na Mašinskom fakultetu u Nišu došlo je do značajnih promena u nastavnim planovima koje su pratile izmene u nastavnim programima. Materija koja se predaje u predmetima Grejanje i toplifikacija, Osnove grejne tehnike, Daljinsko grejanje, Osnove gasne tehnike i Snabdevanje toplotnom energijom i gasom sastavni je deo ove knjige. Ukupna materija koja se obrađuje izložena je u 3 celine: 1-grejanje, 2-toplifikacija i 3snabdevanje gasom. Prva celina Grejanje obuhvata 11 poglavlja. Prvo poglavlje Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene prati istorijat tehnike grejanja, kalsifikaciju sistema grejanja i primenu pojedinih u praksi. Drugo poglavlje Termički konfor svojom interesantnom sadržinom i novim pojmovima koje uvodi ukazuje na novi pristup razmatranju različitih uticajnih parametara na uslove termičkog konfora u sredini u kojoj borave i rade ljudi. Treće poglavlje Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote) posvećeno je različitim primerima lokalnih izvora toplote sa interesantnim primerima primenljivim u praksi. U poglavlju Sistemi centralnog grejanja detaljno se opisuju aktuelni sistemi centralnog vodenog, parnog i vazdušnog grejanja. Osnovi gradjevinske fizike je poglavlje koje ukazuje na parametre potrebne za projektovanje sistema centralnog grejanja a koji se odnose na termofizička svojstva gradjevinskih materijala, difuziju vlage u konstrukciji, hidro i termičku izolaciju i td. Poglavlje Proračun potrebne količine toplote za grejanje je posvećeno metodologiji proračuna potrebne količine toplote za grejanje prema važećem SRPS standardu uz ukazivanje na mogućnosti za unapredjenje proračuna zasnovana na važećem DIN standardu. Sedmo poglavlje Grejna tela - proračun i izbor ukazuje na najrazličitije tipove konvektivnih grejnih tela sa bogatim kataloškim ilustracijama. Posebno se analizira primena grejnih zračećih panela (podni, zidni i plafonski) i daju smernice za proračun. Osmo poglavlje Postrojenja za proizvodnju toplote – hladnoće, uz obilje ilustracija i primera uvodi nas u svet proizvodnje toplote (hladnoće) preko opisa različitih tipova kotlova, čilera, toplotnih pumpi, gorionika, gorioničkih postrijenja, elemenata kotlovskih postrojenja i td. Ovom poglavlju posvećena je naročita pažnja jer su ova postrojenja prisutna i u toplifikacionim sistemima. Deveto poglavlje Teorijske osnove hidrauličkog proračuna i primeri dimenzionisanja toplotnih mreža je od velikog značaja za pravilno dimenzionisanje kako cevnih mreža sistema centralnog grejanja tako i cevnih mreža sistema daljinskog grejanja. Zato je ono posvećeno toplotnim mrežama i obradjuje mreže svih pomenutih sistema. Poglavlje Priprema tople potrošne vode je posvećeno ovom vrlo važnom segmetu grejnih postrojenja. Poslednje poglavlje prve celine Sunčeva energija i mogućnosti primene ima za cilj da afirmiše primenu energije Sunca ukazujući na pasivne i aktivne sisteme za korišćenje ove besplatne energije. III

Predgovor Druga celina Toplifikacija obuhvata 6 poglavlja. Prvo poglavlje Klasifikacija sistema centralizovanog snabdevanja toplotom (hladnoćom) CST, CSH, izvršena je podela ovih sistema i ukazano na mogućnosti i pravce njihovog daljeg razvoja. U poglavlju Toplotne mreže date su karakteristični sistemi razvodjenja toplote na daljinu. Poglavlje Konstrukcija i oprema toplotnih mreža je poglavlje u kome se detaljno opisuje armatura tolotnih mreža sa karakterističnim primerima ugradnje. U poglavlju Toplotne predajne stanice prikazani su elementi toplotnih predajnih stanica sa primerima proračuna i izbora. Poglavlje Regulisanje i merenje u sistemima za CST bavi se savremenim načinima merenja i regulisanja utroška toplotne energije u centralizovanim sistemima snabdevanja tolotom. Poslednje poglavlje druge celine Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST bavi se mogućnostima za kombinovanu proizvodnju toplotne i električne energije u sistemima toplifikacije. Treća celina Snabdevanje gasom organizovana je u 5 poglavlja . Prvo poglavlje Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa ukazuje se na karakteristike ovih, u savremenoj praksi, izuzetno zastupljenih goriva. Drugo poglavlje bavi se Sistemima za snabdevanje prirodnim gasom, ukazujući na podelu sistema za distribuciju prirodnog gasa. Teće poglavlje Gasovodi obradjuje materiju posvećenu proračunu i načinima izvodjenja različitih tipova gasovoda. Poglavlje Merno regulacione stanice daje smernice za proračun i izbor elemenata ovih važnih delova gasovodnih sistema. Poslednje poglavlje Primena tečnog naftnog gasa daje prikaz mogućih primena tečnog nafnog gasa u domaćinstvima, industriji i td. Dva softverska sistema PCG i TUBE sa uputstvima za upotrbu i demo primerima, od kojih je prvi namenjen projektovanju sistema centralnog grejanja a drugi projektovanju sistema toplifikacije i raznim simulacijama, a na kojima autor permanentno radi dugi niz godina, daju dodatni kvalitet ovom udžbeniku koji time postaje i nešto više od univerzitetskog udžbenika. Poštovanje i zahvalnosti dugujem recenzentima dr Slobodanu Lakoviću redovnom profesoru Mašinskog fakulteta u Nišu i dr Miloradu Bojiću redovnom profesoru Mašinskog fakulteta u Kragujevcu, kao i svim kolegama koji su svojim sugestijama, primedbama, podrškom i pomoći doprineli definitivnom oblikovanju ovog udžbenika. Posebno zadovoljstvo autoru je predstavljala saradnja sa studentima, koji su dali veliki doprinos prilikom obrade interesantnih tema u svojim diplomskim i seminarskim radovima. Zahvaljujem se svom kolegi i prijatelju Draganu Stevanoviću na trudu prilikom pripreme teksta na računaru a posebno na dugogodišnjoj saradnji pri izradi pomenuta dva softverska sistema. U pripremi slika pomogli su mi Saša Pavlović, student doktorskih studija na Mašinskom fakultetu, i Nenad Apostolović magistrant Mašinskog fakulteta u Nišu. Na kraju, želim da se zahvalim svojoj porodici za strpljenje i razumevanje za vreme koje nisam proveo sa njima a koje sam ovom knjigom poklonio svojim studentima. U Nišu, 2011 godine

IV

Autor

Sadržaj 1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene ............................................................ 5 1.1. Svrha grejanja ..................................................................................................................... 5 1.2. Istorijat grejne tehnike......................................................................................................... 5 1.3. Istorijat toplifikacije Niša.................................................................................................... 7 1.4. Klasifikacija sistema za grejanje ....................................................................................... 10 1.4.1. Izbor sistema za grejanje...................................................................................... 11 1.5. Vazduh i mikroklima ........................................................................................................ 12 1.5.1. Sastav i svojstva vazduha..................................................................................... 12 1.5.2. Higijena vazduha ................................................................................................. 13 2. Termički komfor ....................................................................................................................... 21 2.1. Uvod.................................................................................................................................. 21 2.2. Energetski bilans čoveka................................................................................................... 21 2.2.1. Metabolizam M .................................................................................................... 22 2.2.2. Spoljašnji rad W ................................................................................................... 22 2.2.3. Gubitak toplotne energije isparavanjem I ............................................................ 22 2.2.4. Gubitak toplotne energije respiracijom RES ........................................................ 23 2.2.5. Provođenje toplote kroz odeću Pcl ....................................................................... 23 2.2.6. Razmena toplote zračenjem Z .............................................................................. 24 2.2.7. Razmena toplote konvekcijom K ......................................................................... 25 2.2.8. Uslovi termalnog komfora ................................................................................... 25 2.2.9. Jednačina termičkog komfora .............................................................................. 26 2.2.10. Praktična primena jednačine termičkog komfora............................................... 27 2.2.11. Individualne razlike............................................................................................ 27 2.3. Lokalna termalna neugodnost – nekomfor........................................................................ 28 2.3.1. Uzroci lokalne termalne neugodnosti................................................................... 28 2.3.2. Toplotni stres ....................................................................................................... 30 2.4. Termalni komfor i KGH sistemi ....................................................................................... 35 3. Lokalno grejanje (lokalni izvori toplote) ................................................................................ 39 3.1. Kamini............................................................................................................................... 40 3.2. Male peći na čvrsta goriva ................................................................................................ 42 3.3. Kaljave peći....................................................................................................................... 43 3.4. Trajnožareće peći .............................................................................................................. 45 3.5. Peći na tečno gorivo .......................................................................................................... 47 V

Sadržaj 3.6. Gasne peći ......................................................................................................................... 48 3.7. Elektro i termoakumulacione peći..................................................................................... 50 3.8. Jedna peć za ceo stan......................................................................................................... 53 3.9. Kaljava peć - kotao ........................................................................................................... 54 4. Sistemi centralnog grejanja ..................................................................................................... 59 4.1. Toplovodno grejanje ......................................................................................................... 59 4.1.1. Jednocevni sistemi ............................................................................................... 60 4.1.2. Dvocevni sistemi.................................................................................................. 63 4.1.3. Panelno grejanje................................................................................................... 67 4.2. Parno grejanje niskog pritiska ........................................................................................... 70 4.2.1. Donji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom.......... 72 4.2.2. Gornji razvod sa suvom i potopljenom kondenzacionom cevnom mrežom ........ 73 4.2.3. Indirektno vraćanje kondenzata u kotao preko rezervoara................................... 74 4.3. Vazdušno grejanje............................................................................................................. 75 4.3.1. Vazdušno grejanje ventilator-konvektorima ........................................................ 75 4.3.2. Centralni kanalni razvod vazduha........................................................................ 77 5. Osnovi građevinske fizike......................................................................................................... 83 5.1. Osnovni zahtevi higijene................................................................................................... 83 5.2. Termička zaštita zgrada..................................................................................................... 83 5.2.1. Prenos toplote kroz građevinsku konstrukciju ..................................................... 83 5.2.2. Značaj toplotne zaštite ......................................................................................... 85 5.2.3. Zaštitne mere pri projektovanju zgrada................................................................ 85 5.3. Termička izolacija zidova ................................................................................................. 87 5.4. Difuzija vodene pare kroz građevinske konstrukcije ........................................................ 88 5.4.1. Proračun difuzije vodene pare.............................................................................. 88 5.4.2. Transport vodene pare u stacionarnim uslovima.................................................. 91 5.4.3. Koeficijent prolaza vodene pare difuzijom .......................................................... 92 5.4.4. Prelaz vodene pare- konvektivna difuzija ............................................................ 93 5.4.5. Provođenje vodene pare-konduktivna difuzija..................................................... 94 5.4.6. Koeficijenti provođenja vodene pare ................................................................... 95 5.4.7. Pritisci vodene pare u građevinskoj konstrukciji ................................................. 96 5.4.8. Upoređivanje toka parcijalnog pritiska i pritiska zasićenja.................................. 97 5.5. Difuzija vodene pare pri kondenzaciji u zoni i ravni zida................................................. 98 5.6. Mere zaštite od kondenzacije ............................................................................................ 99 6. Proračun potrebne količine toplote za grejanje .................................................................. 105 6.1. Koeficijent prolaza toplote - k......................................................................................... 106 6.2. Unutrašnja projektna temperatura - tu ............................................................................. 109 6.3. Površina kroz koju prolazi toplota – F ............................................................................ 110 VI

Sadržaj 6.4. Temperature negrejanih prostorija .................................................................................. 110 6.5. Spoljna projektna temperatura - ts ................................................................................... 111 6.6. Dodatak zbog prekida u zagrevanju - Zn ......................................................................... 113 6.7. Dodatak na uticaj zračenja - Za ....................................................................................... 114 6.8. Dodatak na strane sveta - ZS ............................................................................................ 115 6.9. Zagrevanje vazduha koji prodire u prostoriju ................................................................. 115 6.10. Dodatak na uticaj vetra - ZV .......................................................................................... 116 6.11. Dodatak na uticaj infiltracije vazduha - QV ................................................................... 116 6.12. Karakteristika prostorije – R ......................................................................................... 118 6.13. Karakteristika zgrade - H .............................................................................................. 119 6.14. Dodatak na visinu prostorija - Zh................................................................................... 120 6.15. Specifična potrebna količina toplote – q ....................................................................... 120 6.16. Uputstva ........................................................................................................................ 121 6.17. Unapređenja u proračunu potrebne količine toplote ..................................................... 121 6.17.1. Merodavna spoljna temperatura....................................................................... 121 6.17.2. Korekture koeficijenata prolaza toplote ........................................................... 122 6.17.3. Građevinske površine koje se graniče sa zemljom........................................... 123 6.17.4. Potrebna količina toplote za provetravanje ...................................................... 125 6.17.5. Potrebna količina toplote za prirodno provetravanje ....................................... 126 6.17.6. Karakteristika zgrade – H ................................................................................ 129 6.17.7. Korekcioni faktor za visinu - ε ......................................................................... 130 6.17.8. Karakteristika prostorije – R ............................................................................ 131 6.17.9. Potrebna količina toplote za celu zgradu.......................................................... 132 7. Grejna tela-proračun i izbor.................................................................................................. 135 7.1. Vrste grejnih tela............................................................................................................. 135 7.1.1. Radijatori ........................................................................................................... 135 7.1.2. Cevni radijatori .................................................................................................. 137 7.1.3. Pločasta grejna tela ............................................................................................ 137 7.1.4. Konvektori ......................................................................................................... 138 7.1.5. Kaloriferi............................................................................................................ 139 7.2. Dimenzionisanje grejnih tela........................................................................................... 139 7.2.1. Koeficijent prolaza toplote i toplotni učinak pri nominalnim i drugim uslovima ........................................................................................................ 140 7.2.2. Člankasta grejna tela .......................................................................................... 141 7.2.3. Pločasta grejna tela ............................................................................................ 144 7.2.4. Cevna grejna tela................................................................................................ 144 7.2.5. Konvektori i kaloriferi ....................................................................................... 144 7.3. Smeštaj radijatora............................................................................................................ 144 7.4. Panelno grejanje.............................................................................................................. 145 VII

Sadržaj 7.4.1. Preteče današnjeg panelnog grejanja ................................................................. 146 7.4.2. Primena panelnog grejanja................................................................................. 147 7.5. Panel kao grejno telo i njegov proračun.......................................................................... 149 7.5.1. Proračun temperatura površine poda.................................................................. 150 7.5.2. Proračun količine toplote ................................................................................... 153 7.5.3. Proračun pada pritiska u cevima ........................................................................ 154 7.5.4. Odavanje toplote plafonskih grejnih površina zračenjem .................................. 155 7.5.5. Izvođenje panelnog grejanja .............................................................................. 157 7.6. Paneli sa električnim grejačima....................................................................................... 165 7.6.1. Posebni paneli .................................................................................................... 166 8. Postrojenja za proizvodnju toplote –hladnoće .................................................................... 171 8.1. Kotlovska postrojenja...................................................................................................... 171 8.1.1. Kotlovi za razne vrste goriva ............................................................................. 171 8.1.2. Materijali kotlovske konstrukcije....................................................................... 171 8.1.3. Specifičnost kotlovskih konstrukcija ................................................................. 173 8.1.4. Toplotno opterećenje kotlovskih grejnih površina............................................. 177 8.1.5. Godišnje opterećenje grejnog sistema................................................................ 177 8.1.6. Sigurnosni uređaji .............................................................................................. 178 8.1.7. Armatura vodenih kotlova ................................................................................. 180 8.1.8. Kotlarnice........................................................................................................... 180 8.1.9. Godišnja potrošnja toplote ................................................................................. 187 8.1.10. Potrošnja goriva ............................................................................................... 190 8.1.11. Rezervoari za tečno gorivo .............................................................................. 191 8.2. Postrojenja sa toplotnom pumpom................................................................................. 193 8.2.1. Toplotna pumpa „vazduh-vazduh“ .................................................................... 195 8.2.2. Toplotna pumpa „vazduh-voda“ ........................................................................ 196 8.2.3. Toplotna pumpa voda-voda ............................................................................... 198 8.2.4. Toplotna pumpa zemlja-voda............................................................................. 198 8.2.5. Toplotna pumpa “ voda-vazduh“ ....................................................................... 199 8.2.6. Apsorpcione toplotne pumpe ............................................................................. 199 9. Teorijske osnove hidrauličkog proračuna i primeri dimenzionisanja toplotnih mreža .. 205 9.1. Zadatak hidrauličkog proračuna...................................................................................... 205 9.1.1. Osnovne hidrauličke jednačine .......................................................................... 205 9.1.2. Redosled hidrauličkog proračuna toplotnih mreža............................................. 214 9.1.3. Osnovi uravnoteženja toplotnih mreža............................................................... 214 9.2. Uravnoteženje cevnih mreža ........................................................................................... 216 9.2.1. Potreba za uravnoteženjem i prednosti koje ono pruža ...................................... 217 9.2.2. Uticaj uravnoteženja na komfor ......................................................................... 217 9.2.3. Uravnotežene instalacije i potreba za energijom................................................ 218 VIII

Sadržaj 9.2.4. Princip uravnoteženja......................................................................................... 219 9.3. Razvođenje toplote.......................................................................................................... 220 9.3.1. Cevi.................................................................................................................... 220 9.3.2. Izolacija cevi ...................................................................................................... 221 9.4. Dvocevni sistemi centralnog grejanja ............................................................................. 221 9.4.1. Prirodna cirkulacija............................................................................................ 221 9.4.2. Temperature razvodne i povratne vode.............................................................. 222 9.5. Jednocevni sistemi centralnog grejanja........................................................................... 226 9.5.1. Vertikalni cevni sistemi ..................................................................................... 226 9.5.2 Savremeni jednocevni sistemi............................................................................. 228 9.5.3. Upoređenje jednocevnih i dvocevnih sistema .................................................... 229 9.6. Definisanje pritiska i napora u sistemu centralnog grejanja........................................... 230 9.7. Statički pritisak u stanju mirovanja i pri prirodnom strujanju vode ............................... 232 9.8. Raspodela pritiska u sistemu sa prinudnom cirkulacijom .............................................. 235 9.9. Položaj ekspanzionog suda i raspodela pritiska u sistemu ............................................. 236 9.10. Pumpe u sistemu centralnog grejanja............................................................................ 238 9.10.1. Centrifugalne pumpe u pogonu........................................................................ 239 9.11. Karakteristika cevovoda i radna tačka pumpe............................................................... 240 9.12. Sprezanje pumpi............................................................................................................ 242 9.12.1. Paralelna veza dve pumpe................................................................................ 242 9.12.2. Redna veza dve pumpe .................................................................................... 243 10. Priprema tople potrošne vode.............................................................................................. 247 10.1. Sistemi zagrevanja vode................................................................................................ 247 10.1.1. Pojedinačno i grupno snabdevanje toplom vodom........................................... 247 10.1.2. Centralna postrojenja za zagrevanje potrošne vode ......................................... 254 10.1.3. Toplotne pumpe za pripremu tople vode.......................................................... 263 10.3. Proračun postrojenja za zagrevanje vode ...................................................................... 263 10.3.1. Količina i temperatura tople vode .................................................................... 263 10.3.2. Potrebna toplota - proračun sa faktorom istovremenosti.................................. 267 11. Sunčeva energija i mogućnosti primene.............................................................................. 275 11.1. Važniji podaci o suncu i njegovoj energiji.................................................................... 275 11.2. Raspodela sunčeve energije na zemlji........................................................................... 275 11.3. Energija sunčevog zračenja na gornjoj granici atmosfere ............................................. 276 11.4. Snaga sunčevog zračenja na površini zemlje ................................................................ 277 11.5. Zavisnost intenziteta insolacije jedne površine od njene orijentacije u prostoru........... 277 11.6. Meteorološki uticaji ...................................................................................................... 280 11.7. Komponente sunčevog zračenja.................................................................................... 280 11.8. Principi korišćenja sunčeve energije ............................................................................. 280 IX

Sadržaj 11.9. Efekat staklene bašte ..................................................................................................... 281 11.10. Uređaji za koršćenje direktne sunčeve energije .......................................................... 282 11.10.1. Ravni solarni kolektori................................................................................... 283 11.10.2. Apsorber......................................................................................................... 284 11.10.3. Prednji pokrivač solarnog kolektora .............................................................. 286 11.10.4. Izolacija i zaptivanje solarnih kolektora......................................................... 288 11.10.5. Vazdušni solarni kolektori ............................................................................. 289 11.10.6. Optimalni nagibni ugao solarnog kolektora ................................................... 290 11.10.7. Koeficijent korisnog delovanja ili stepen iskorišćenja ravnog solarnog kolektora........................................................................................................ 290 11.10.8. Specijalne konstrukcije ravnih kolektora sa tečnim radnim sredstvom ........ 293 11.11. Akumulisanje energije – osnovni principi i akumulatori toplote ................................ 293 11.11.1. Akumulatori toplote ....................................................................................... 293 11.11.2. Raspodela i regulacija toplote u solarnom sistemu ........................................ 297 11.11.4. Solarni bojleri................................................................................................. 299 11.12. Grejanje solarnom energijom i pasivna solarna arhitektura ....................................... 301 11.12.1. Grejanje prostorija solarnom energijom......................................................... 301 11.12.2. Trombeov zid ................................................................................................. 304 11.12.3. Prednost pasivnog nad aktivnim solarnim sistemom za zagrevanje kuća ...... 306 11.12.4. Uslovi za primenu pasivnog solarnog sistema za grejanje kuća ................... 307 11.12.5. Pasivno korišćenje sunčeve energije bez protoka vazduha ............................ 308 11.12.6. Problemi pregrevanja prostorija i njihovo otklanjanje ................................... 309 11.12.7 Solarne sušare ................................................................................................. 310 11.13. Koncentrisana sunčeva energija i njena primena ........................................................ 312 11.14. Povećanje energetske samostalnosti plastenika i staklenika ...................................... 314 11.14.1. Termoizolovanost plastenika i staklenika ...................................................... 314 11.15. Specijalne konstrukcije plastenika .............................................................................. 317 11.15.1. Plastenici sa promenljivom termoizolacijom ................................................. 317 11.15.2. Plastenici sa vodenom zavesom ..................................................................... 318 11.15.3. Korišćenje otpadne toplote iz drugih procesa za grejanje plastenika i staklenka........................................................................................................ 318 11.15.4. Korišćenje otpadne toplote iz domaćinstava za grejanje malih staklenika i plastenika....................................................................................................... 319 11.15.5. Mere za intenzivnije grejanje staklenika i plastenika sunčevom energijom... 321 11.15.6. Posebne konstrukcije staklenika i plastenika sa intenzivnim korišćenjem toplote sunčevog zračenja ............................................................................. 324 12. Klasifikacija sistema centralizovanog snabdevanja toplotom (hladnoćom) CST, (CSH)331 12.1. Daljinsko grejanje ......................................................................................................... 331 12.1.1. Opšte karakteristike razvoja............................................................................. 331 12.1.2. Prednosti i nedostaci CST ................................................................................ 333 X

Sadržaj 12.2. Neki aspekti daljeg razvoja sistema CST kod nas......................................................... 335 12.3. Podela sistema daljinskog grejanja ............................................................................... 335 12.3.1. Izvori toplote u sistemu daljinskog grejanja .................................................... 336 12.4. Nosioci toplote u sistemima CST.................................................................................. 337 12.4.1. Izbor nosioca toplote i sistema snabdevanja toplotom ..................................... 338 12.4.2. Sistemi sa vodom kao nosiocem toplote .......................................................... 341 12.4.3. Sistem sa vodom - zatvoreni sistemi ............................................................... 341 12.4.4. Sistem sa vodom - Otvoreni sistemi................................................................. 344 12.4.5. Sistemi sa vodenom parom kao nosiocem toplote ........................................... 344 13. Toplotne mreže...................................................................................................................... 349 13.1. Osnovne vrste mreža daljinskog grejanja...................................................................... 349 13.2. Osnovne računske zavisnosti ........................................................................................ 352 13.3. Redosled hidrauličnog proračuna.................................................................................. 355 13.4. Pijezometarski dijagram................................................................................................ 356 13.5. Metod hidrauličkog proračuna razgranatih toplotnih mreža ........................................ 358 13.5.1. Određivanje proračunskih protoka................................................................... 360 13.5.2. Rezerva magistralnih toplotnih mreža.............................................................. 361 13.6. Hidraulični režim cevnih mreža daljinskog grejanja..................................................... 364 13.6.1 Hidraulička karakteristika sistema .................................................................... 364 13.6.2 Hidraulički režim zatvorenih sistema................................................................ 365 13.6.3. Hidraulička stabilnost ...................................................................................... 369 13.6.4. Hidraulički režim otvorenih sistema ................................................................ 370 13.6.5. Hidraulički režim mreža sa pumpnim i prigušivačkim podstanicama ............ 370 13.6.6. Hidraulički udar u toplotnim mrežama ............................................................ 372 14. Konstrukcija i oprema toplotnih mreža.............................................................................. 377 14.1. Trasa i profil toplovoda................................................................................................. 377 14.2. Konstrukcija toplovoda ................................................................................................. 377 14.2.1. Kanalni toplovodi............................................................................................. 378 14.2.2. Beskanalni toplovodi........................................................................................ 381 14.2.3. Zaštita podzemnih toplovoda od potapanja i vlage .......................................... 384 14.2.4. Materijal i konstrukcija toplotne izolacije........................................................ 384 14.2.5. Cevi i spajanje cevi .......................................................................................... 386 14.2.6. Oslonci ............................................................................................................. 387 14.2.7. Kompenzacija temperaturnih dilatacija............................................................ 389 14.3. Termički proračun......................................................................................................... 395 14.3.1.Osnovne računske zavisnosti ............................................................................ 395 14.3.2. Termički otpor površine................................................................................... 396 14.3.3. Termički otpor sloja ......................................................................................... 397 XI

Sadržaj 14.3.4. Termički otpor izolacije nadzemnih toplovoda................................................ 397 14.3.5. Termički otpor tla ............................................................................................ 398 14.3.6. Toplotni gubici i koeficijent efektivnosti ......................................................... 399 15. Toplotne predajne stanice .................................................................................................... 403 15.1. Tipovi toplotnih predajnih stanica................................................................................. 403 15.2. Izmenjivači toplote........................................................................................................ 407 15.2.1. Proračun grejne površine razmenjivača - suprotan tok .................................... 409 15.2.2. Konstrukcija razmenjivača toplote................................................................... 410 15.2.3. Vrste izrade izmenjivača.................................................................................. 410 15.3. Akumulatori toplote ...................................................................................................... 412 15.3.1. Akumulatori tople vode ................................................................................... 412 15.3.2. Akumulaciona sposobnost objekta (zgrada) .................................................... 415 16. Regulisanje i merenje u sistemima za CST......................................................................... 419 16.1. Metode regulacije.......................................................................................................... 419 16.2. Toplotne karakteristike izmenjivača toplote ................................................................. 422 16.3. Režimi regulisanja CST ................................................................................................ 425 16.3.1. Zadatak i način regulisanja............................................................................... 425 16.3.2. Sistemi regulisanja ........................................................................................... 425 16.3.3. Osnovi tehnike regulisanja............................................................................... 427 16.3.4. Uređaji za regulisanje....................................................................................... 428 16.3.5. Ventili u regulacionom kolu ............................................................................ 430 16.4. Automatizacija sistema CST ......................................................................................... 432 17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST............... 441 17.1. Koncept kogeneracije.................................................................................................... 441 17.2. Princip rada sistema kogeneracije ................................................................................. 441 17.3. Od proizvodnje samo električne energije do kogeneracije............................................ 443 17.4. Tehničke opcije za kogeneraciju - sistemi kogeneracije ............................................... 443 17.4.1. Izgradnja kogenerativnih postrojenja ............................................................... 443 17.4.2. Alternativna goriva .......................................................................................... 458 17.4.3. Trigeneraciono apsorpciono parno hlađenje .................................................... 458 17.4.4. Evolucija paketne kogeneracije........................................................................ 459 17.4.5. Kogeneracija i životna sredina ......................................................................... 459 17.5. Pregled inovativnih tehnologija u proizvodnji električne energije............................... 460 17.5.1. Postrojenja za sagorevanje u fluidizovanom sloju ........................................... 460 17.5.2. Kombinovani ciklusi sa gasifikacijom ............................................................. 462 17.5.3. Gorivne ćelije................................................................................................... 465 17.5.4. Tehnologije sa eksternom toplotnom energijom .............................................. 468 17.6. Tipične oblasti primene kogeneracije............................................................................ 470 XII

Sadržaj 17.6.1. Direktno korišćenje otpadne toplote ................................................................ 471 17.6.2. Pokrivanje baznog električnog opterećenja...................................................... 471 17.6.3. Pokrivanje-praćenje električnog opterećenja ................................................... 472 17.6.4. Pokrivanje-praćenje toplotnog opterećenja...................................................... 472 17.6.5. Cene goriva ...................................................................................................... 472 18. Karakteristike prirodnog i tečnog naftnog gasa ................................................................ 479 18.1. Prirodni gas ................................................................................................................... 479 18.2. Termini, definicije i karakteristične veličine gasovitih goriva (SRPS H.F1.001, SRPS M.E6.300).......................................................................................................... 479 18.3. Redukcija zapremine gasa............................................................................................. 481 18.3.1. Pritisak gasa p .................................................................................................. 483 18.3.2. Atmosferski prilisak p0..................................................................................... 483 18.4.3. Apsolutni pritisak pabs ...................................................................................... 483 18.3.4. Pritisak gasa u mirovanju psr ............................................................................ 483 18.3.5. Pritisak gasa pri proticanju p............................................................................ 484 18.4.6. Priključni pritisak p.......................................................................................... 484 18.4.7. Toplotna vrednost - gornja Hgn ........................................................................ 485 18.4.8. Toplotna vrednost – donja Hdn ......................................................................... 485 18.3.9. Relativna gustina d........................................................................................... 485 18.3.10. Wobbe indeks-gornji Wgn, donji Wdn .............................................................. 485

λ

18.3.11. Maksimalna laminarna brzina plamena max ............................................... 486 18.3.12. Teorijska količina vazduha Lmin ..................................................................... 486 18.3.13. Temperatura paljenja tp .................................................................................. 486 18.3.14. Granice eksplozivnosti - donja DGE, gornja GGE ............................................ 486

ϕ

............................................................................ 486 18.3.15. Relativna vlažnost gasa 18.4. Tečni naftni gas............................................................................................................. 490 18.4.1. Naziv................................................................................................................ 490 18.4.2. Osnovne osobine.............................................................................................. 490 18.4.3. Sigurnost rukovanja TNG-om.......................................................................... 492 18.4.4. Kalorična vrednost i zapremina ....................................................................... 492 19. Sistemi za snabdevanje prirodnim gasom........................................................................... 499 19.1. Elementi sistema ........................................................................................................... 499 19.2. Magistralni gasovodi..................................................................................................... 501 19.3. Izbor trase magistralnih gasovoda................................................................................. 506 19.3.1. Preliminarni izbor trase.................................................................................... 506 19.3.2. Ključni faktori kod izbora trase........................................................................ 507 19.4. Gradski sistemi za snadbevanje gasom ......................................................................... 508 19.5. Industrijski sistemi za snadbevanje gasom.................................................................... 509 XIII

Sadržaj 20. Gasovodi ................................................................................................................................ 513 20.1. Tipovi gasovoda............................................................................................................ 513 20.2. Postavljanje podzemnih gasovoda ................................................................................ 513 20.3. Osnovni obrasci za dimenzionisanje ............................................................................. 514 20.3.1. Faktor kompresibilnosti ................................................................................... 517 20.4. Protok i pad pritiska ...................................................................................................... 518 20.5. Brzina gasa u gasovodu................................................................................................. 522 20.5.1.Optimalni pad pritiska po jedinici dužine gasovoda ......................................... 523 20.5.2.„Looping" gasovoda.......................................................................................... 523 20.5.3. „Pipeline Packing" ........................................................................................... 524 20.6. Mehanički proračun gasovoda ...................................................................................... 526 20.6.1. Dimenzionisanje fiksnih oslonaca (anker blokova) ......................................... 530 20.6.2 Različite debljine zida cevi ............................................................................... 531 20.6.3. Naponi usled spuštanja cevi............................................................................. 533 20.6.4. Ogranci (T - komadi) ....................................................................................... 534 20.6.5. Armatura na ograncima.................................................................................... 536 20.7. Instalacije za gas u zgradama ........................................................................................ 537 21. Merno - Regulacione stanice ................................................................................................ 541 21.1. Koncepcija i smeštaj gasnih stanica .............................................................................. 541 21.2. Oprema i elementi gasnih stanica.................................................................................. 544 21.2.1. Cevi, cevni spojevi i fitinzi .............................................................................. 544 21.2.2. Zaporni organi.................................................................................................. 545 21.2.3. Filteri................................................................................................................ 548 21.2.4. Izmenjivači toplote........................................................................................... 550 21.2.5. Regulaciona linija ............................................................................................ 551 21.2.6. Merna linija...................................................................................................... 557 21.2.7. Merni instrumenti............................................................................................. 563 21.2.8 Izolacioni komadi i prirubnice .......................................................................... 566 21.2.9. Protivpovratne klapne ...................................................................................... 567 21.2.10. Odorizacija..................................................................................................... 568 21.2.11. Kontrola protoka ............................................................................................ 570 21.2.12. Termoregulacija ............................................................................................. 572 21.3. Telemetrija .................................................................................................................... 573 21.4. Zaštitne zone ................................................................................................................. 576 21.5. Ispitivanje i puštanje u rad ............................................................................................ 577 21.6. Problemi vezani za buku i mere za njeno otklanjanje ................................................... 579 22. Primena tečnog naftnog gasa ............................................................................................... 583 22.1. Proizvodnja tečnog naftnog gasa................................................................................... 583 XIV

Sadržaj 22.1.1. Ekstrakcija TNG iz zemnog gasa..................................................................... 583 22.1.2. Apsorpciono postrojenje .................................................................................. 583 22.1.3. Niskotemperaturna separacija .......................................................................... 585 22.1.4. Adsorpcija ........................................................................................................ 585 22.1.5. Ekonomičnost proizvodnje TNG ..................................................................... 585 22.1.6. Proizvodnja TNG u rafinerijama nafte............................................................. 586 22.2. Transport i uskladištenje TNG ...................................................................................... 587 22.2.1 Boce .................................................................................................................. 587 22.2.2. Instalacije za pretakanjeTNG-a........................................................................ 590 22.3. Regulatori pritiska......................................................................................................... 591 22.3.1. Zadatak i podela............................................................................................... 591 22.3.2. Regulatori prvog stepena (visoki pritisak) ....................................................... 592 22.3.3. Regulatori II stepena (niski pritisak)................................................................ 593 22.3.4. Regulatori pritiska za TNG instalacije sa bocama ........................................... 595 22.3.5. Pogonski problemi regulatora .......................................................................... 595 22.3.6. Opšta primena TNG ......................................................................................... 597 22.3.7. Domaćinstvo .................................................................................................... 598 22.3.8. Kuvanje............................................................................................................ 600 22.3.9. Zagrevanje vode............................................................................................... 600 22.3.10. Zagrevanje prostorija ..................................................................................... 601 22.3.11. Potrošnja gasa ................................................................................................ 604 22.3.12. Priključak za gas ............................................................................................ 604 22.3.13. Odvođenje gasova .......................................................................................... 605 Literatura.............................................................................................................................. 609

XV

GREJANJE

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene 1.1. Svrha grejanja Svrha, odnosno zadatak grejanja je u tome da se gubitak toplote ljudskog tela reguliše zagrevanjem okoline, čime bi se uspostavila ravnoteža izmedju čovečjeg tela i njegove okoline, i obezbedilo da se čovek toplotno-fiziološki udobno oseća. Faktori koji utiču na ugodnost (osim odeće) su: temperatura vazduha, srednja temperatura zida, vlažnost vazduha, kretanje i čistoća vazduha. Grejanje ima uticaja na temperaturu vazduha i srednju temperaturu zida, tako da ova dva faktora definišu zajednički pojam osetne temperature. Ostali faktori se regulišu samo preko klima uređaja. Velika količina primarne energije (oko 40% u razvijenim zemljama) se koristi za sobno grejanje. Zbog njenog poskupljenja teži se smanjenju potrošnje energije uvodjenjem brojnih mera i metoda, od kojih se neke odnose i na područje grejne tehnike.

1.2. Istorijat grejne tehnike Prvi oblik lokalnog grejanja predstavljalo je ognjište koje se ložilo drvima i istovremeno služilo za spremanje jela, a velika mana mu je bila pojava jakog dima. Rimljani su tu manu odstranili pronalaskom drvenog uglja koji je sagorevao u metalnim ložištima bez pojave dima. U Evropi se u 10. veku prešlo sa otvorenog na zatvoreno ognjište. U početku su to bile peći (kamene i od ilovače) koje su odvodile dimne gasove kroz dimnjak, a kasnije u 14. veku pojavila se kaljeva peć.

Slika 1.2-1. Šema hipokaust grejanja 5

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene Gvozdena peć je nastala u 15. veku, od livenih pločastih peći, a u 17. veku kružne peći, koje su se vremenom usavršavale pa se neke i danas koriste. Znatno poboljšanje donele su gasne odnosno uljne peći. Poslednjih godina su u primeni termoakumulacione peći koje su naročito podesne za stare zgrade. Prvo centralno grejanje je bilo tzv. hipokaust-grejanje starih Rimljana (Slika 1.2-1.). Ložište je bilo ispod kuće, a ogrev drvo ili drveni ugalj, bez rešetke. Dimnim gasovima koji su odlazili u šuplji prostor ispod kuće vršilo se zagrevanje poda. Gasovi su se odvodili kroz jednu ili više cevi ili kanala u zidovima, a izlazili su sa strane kroz otvore. Dimnjaka nije bilo. Sudovi za vodu iznad ložišta su bili prvi prethodnici centralne pripreme potrošne vode. U kanalnom grejanju ispod poda nije bio podrum već kanali kroz koje su prolazili odvodni gasovi. Poboljšanje se postizalo dodatnim grejanjem svežeg vazduha i to nakon gašenja vatre, s tim što su se otvarali otvori na podu koji su inače bili zatvoreni. Na sličan način se od 12. veka primenjivalo grejanje vazduha pomoću kamena ili grejanje kamenim pećima. Slojevi kamena zagrejani vatrom od drveta odavali su svoju toplotu okolnom vazduhu u prostoriji nakon gašenja vatre (Slika 1.2-2.).

Slika 1.2-2. Šema grejanja pomoću kamena u pećima U 18. veku pojavilo se vazdušno grejanje sa ozidanim pećima u podrumima i tada su prvi put bile odvojene putanje dimnih gasova (koji su odlazili kroz dimnjak) i vazduha (koji se zagrevao spolja na peći i ulazio kroz otvore na podu u prostoriju). Parno grejanje se pojavilo u Engleskoj 1850.godine. Vremenom se i ono razvijalo, pa se tako od 1870. godine izradjuju kotlovi od livenog gvoždja, 1880. g. liveni radijatori, 1895. g. člankasti kotlovi inženjera Štrebela. Natpritisak pare u početku je bio 1 do 2 bara, a grejna tela su bila u obliku rebrastih ili zmijastih cevi. Prvo veliko gradsko grejanje u Evropi izvedeno je 1900. g. u Drezdenu. Toplovodno grejanje prvi put je izvedeno sredinom 18. veka u Engleskoj i Francuskoj, a kasnije se razvija uporedo sa parnim grejanjem. Godine 1885. osnovana je Katedra za grejanje i provetravanje, sa Hermanom Ričelom u Berlinu. Savez nemačkih industrijalaca za centralno grejanje formira se 1898. g. Vrelovodno grejanje 1831. g. izumio je Perkins u Engleskoj. To je bio zatvoren sistem od cevi debelih zidova i visokog pritiska (do 50 bara). Ovo grejanje se pretežno upotrebljavalo u industrijske svrhe. Daljim razvojem dolazi se do novih dostignuća, pa se tako javljaju nova grejna 6

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene tela: konvektori, površinska grejna tela, kompaktna podna grejna tela (soklasta), zračeće ploče, podna grejna tela, podno grejanje. Dolazi do usavršavanja kotlova, naročito čeličnih. Poslednjih godina za grejanje su se znatno koristili ulje i gas kao i električno grejanje sa jeftinom noćnom strujom. Izgradjivana su daljinska grejanja u većim gradovima. Na najnoviji razvoj, pre svega, utiču rastuće cene energije, i isti ima na osnovu zakona o uštedi energije delimično za posledicu : y usavršeniju toplotnu izolaciju zgrada; y sve češću upotrebu automatskog regulisanja; y bolje iskorišćenje grejnih gasova u kotlovima; y daljinsko snabdevanje toplotom; y grejanje toplotnim pumpama i korišćenje alternativne energije kao energije Sunca, biogasa i dr.; y povratno dobijanje toplote različitim metodama; y grejanje sa niskim temperaturama grejne vode - niskotemperatursko grejanje

1.3. Istorijat toplifikacije Niša Pionirski zahvati u oblasti izvođenja centralnog grejanja u Nišu datiraju iz tridesetih godina dvadesetog veka. Drugim rečima, prva postrojenja za centralno grejanje pojedinačnih objekata u Nišu su izgrađena 1930. godine i to u zgradi Doma zdravlja, Pozorištu, Trgovačkoj akademiji, Berzi rada. Ovi sistemi uglavnom su bili sa parom niskog pritiska. Nakon Drugog svetskog rata, usled težnje da se što pre obnove porušeni stambeni fondovi i izgrade novi stanovi zbog velikog priliva stanovništva, centralnom grejanju stanova nije se pridavala potrebna pažnja, i pored prisutne svesti o prednosti ovakvog načina zagrevanja. U periodu od 1945. do 1960. godine u Nišu je izgrađeno samo 12 kotlarnica. Posle 1960. godine, nakon saniranja materijalnih razaranja i početka intenzivnije stambene gradnje, nameće se potreba za dostizanje evropskih standarda stanovanja i rada. Bitan preduslov komfornog stanovanja postaje centralno grejanje objekata, pa se u periodu od 1960. do 1973. godine u Nišu izgrađene 94 kotlarnice za toplovodno grejanje. Ukupan kapacitet toplotnih izvora te 1973. godine iznosio je 22,62 MW. Njime se zagrevalo 104951 m2 stambene površine i 9327 m2 poslovnog prostora, sa 2600 m toplovoda. Saznanje da su pojedinačne i blokovske kotlarnice nerentabilna rešenja za grad koji je neprestano rastao, nameće potrebu za jedinstvenim sistemom toplifikacije (daljinskog grejanja) iz razloga što se osigurava: - Najekonomičnije rešenje; - Bezbednost snabdevanja; - Energetsku efikasnost; - Nizak nivo emisije CO2 i zagađivača; - Nizak nivo zagađenja lokalne sredine; - Odgovarajuću toplotnu ugodnost. Ovakav opravdani zahtev se realizuje odlukom o osnivanju specijalizovane organizacije “Gradska Toplana” 1970. godine. Te iste godine se grade i šest blokovskih kotlarnica pojedinačnih

7

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene kapaciteta od 1 do 6 MW. U periodu od 1975. do 1996. godine u skladu sa programom toplifikacije, počinje se izgradnja dve toplane i to “Krivi vir” i “Jug”. Tabela 1.2-1. Toplifikacija stanova prema podacima iz 1992. godine Priklj. na sistem toplif.

Priklj. na blok i ind.kotl.

individualno grejanje

Ukupno

Broj stanova

16.507

2.327

42.618

61.452

Broj stanova (grad)

47.210

6.921

121.887

176.018

981.005

130.284

2.470.667

3.581.956

59,43

55,58

57,97

58,30

27%

4%

69%

100%

Površina stanova m2 2

Prosečna površina stana m

Prva faza toplane “Krivi vir” završena je 1975. godine sa kapacitetom 35 MW. Već 1978. godine završena je i druga faza izgradnje sa još 35 MW kapaciteta, a treća faza izgradnje počinje 1986. godine, kojom je ona osposobljena za proizvodnju dodatnih 58 MW. Toplana “Jug” je takođe građena u fazama, pa je 1975. godine njen kapacitet bio 15,68MW, 1980. godine još 16,96 MW, a nakon 1986. godine još u dva navrata dograđeni su kapaciteti snage 33,92 MW. Iz datih podataka evidentno je da je od ukupnog broja stanova samo 31% priključen na centralno grejanje, a od ovog broja 87% je vezano na daljinski sistem preko dva izvora toplote. Od ostalih, oko 42,618 stanova koji se greju individualno, oko polovine koristi električnu energiju, a drugi mahom čvrsta goriva (ugalj i drvo). U 1995. godini toplotni kapaciteti pri toplani iznose 237000 kW sa 18 izvora toplote. U tabeli 1.2-2 je dat pregled stanja izvora toplote u 1995. godini na nivou opštine Niš. Iz tabele 1.2-2 se vidi da se iz ukupno 132 izvora toplote instalisanog kapaciteta 621330 kW, više od polovine ostvaruje daljinskim sistemom, i to sa dva izvora u stambeno poslovnoj oblasti i dva u industrijskoj oblasti. Ovom tabelom nije navedeno mnogo individualnih izvora zagrevanja, računajući pojedinačne stambene i poslovne objekte, koji se greju klasičnim pećima na čvrsto i tečno gorivo, kao i neke objekte koji koriste električnu energiju. U tom periodu dinamičnog razvoja grada čine se i napori u pravcu toplifikacije kako novih tako i starih delova grada. Akcenat je naročito dat centru grada gde je koncentracija kotlarnica najveća, pa počinje serija njihovog gašenja (u periodu od 1986. do 2000. godine ugašeno je 38 individualnih i 4 blokovske kotlarnice), tako da je u 2000. godini ostalo svega devet pojedinačnih kotlarnica u centru grada. Specijalizovano preduzeće “Gradska Toplana”, odlukom Skupštine opštine Niš iz 1980. godine, a shodno Zakonu o preduzećima i Zakonu o komunalnim delatnostima, transformiše se u Javno komunalno preduzeće “Gradska Toplana”. Danas na 15 toplotnih izvora “Gradske Toplane” sa 37 kotlova jedinične snage 241,9MW i aktivne snage 229,8 MW, priključeno je 1.192710 m2 stambenog i 336.564 m2 poslovnog prostora. 8

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene Trend rasta kapaciteta toplotnih izvora i povećanje broja korisnika (konzum) pratio je i rast kilometara toplovoda. Sa 2600 m magistralnog toplovoda davne 1973. godine, preko 12800 m 1980. godine, 35000 m 1990., do 42000 m magistralnih toplovoda danas. Tabela 1.2-2. Stanje izvora toplote u 1995. godini Toplotni izvor 1. GRADSKA TOPLANA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 2. ZDRAVSTVENE ORGA. • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 3. ŠKOLSTVO • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 4. INDUSTRIJA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice 5. STAMBENI OBJEKTI • Individ. kotlarnice 6. POSLOVNE PROSTORIJE • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice REKAPITULACIJA • Toplane • Blok. kotlarnice • Individ. kotlarnice SVEGA:

Broj izvora toplote

Gorivo

Kapacitet kW

Čvrsto

Tečno

1 1

2 3 12 17

194.560 25.720 16.720 237.000

1 5 6

2 2

1 3 4

13.960 12.340 26.300

1 27 28

6 6

1 21 22

15.820 22.480 38.300

2 8 11 21

2 2

2 8 9 19

145.000 91.970 27.430 264.400

5 5

3 3

2 2

3.800 3.800

9 9

1 44 45

5.820 45.610 51.430

23 23

4 14 91 109

339.560 153.290 128.380 621.330

2 3 13 18

1 53 54 4 14 114 132

Danas 241,9 MW toplotnih izvora, 42 km magistralnih toplovoda i 400 toplotnih podstanica, javno komunalno preduzeće “Gradska Toplana” čini respektibilno preduzeće u ovoj oblasti. Uporedo sa razvojem toplifikacije i centralnog snabdevanja toplotnom energijom, brinulo se i o “kvalitetu vazduha” iznad grada, odnosno uticaju načina grejanja na stanje životne sredine vazduha, zemljišta i vode. Kotlarnice, kojih je do 1986. godine bilo čak 57 samo u centru grada, 9

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene uglavnom su koristile čvrsto gorivo čijim sagorevanjem je nastajao veliki broj materija štetnih po zdravlje građana. Njihovim radom emitovano je 146,1 kg/h SO2, što je povećalo koncentraciju SO2 u vazduhu na 0,118 mg/m3 po svakom dimnjaku (emiteru) prosečne visine 15m, na udaljenosti 100 do 200 m. Pored SO2 javljala se i znatna količina čađi. To je uslovilo (pored ostalih razloga) gašenje 38 individualnih i 4 blokovske kotlarnice u periodu 1986. do 2000. godine, čime je ukupna koncentracija SO2 i čađi smanjena za oko 70%. Gašenjem navedenih izvora toplote i priključenjem na Toplane “Krivi vir” i “Jug” povećanje koncentracije aerozagađivača, zbog povećanja konzuma je mnogostruko manje od koncentracije pri pojedinačnom radu ugašenih toplotnih izvora.

1.4. Klasifikacija sistema za grejanje Tehničko usavršavanje instalacija grejanja povezano je sa nivoom tehničkog napretka. Dalji rad na usavršavanju sistema je jedan od razloga za veliku raznovrsnost tehničkih rešenja. Klasifikacija se vrši po sledećim kriterijumima. ƒ Mesto proizvodnje i korišćenja toplote - lokalno grejanje – toplota se dobija u uređaju koji je instaliran u prostoriji koja se greje; - centralno grejanje – toplota se dobija u kotlarnici, toplotnoj pumpi, solarnoj instalaciji koji su smešteni u tehničkim prostorijama, a preko nosioca toplote neophodna količina toplote se dostavlja svakoj prostoriji u jednoj ili grupi zgrada; - toplifikacioni sistemi – namenjeni su za velike grupe zgrada (rejoni, kompleksi zgrada, gradovi). ƒ Tip nosioca toplote u sistemima - vodeni – u zatvorenim cirkulacionim krugovima transportuje se voda čije temperatura menja; - parni – usled faznih prelaza, vodena para dobivena u kotlu u kotlu, odaje specifičnu toplotu kondenzacije prelaza na prostoriju koja se greje; - vazdušni – zagrejan vazduh u vazdušnom aparatu se predaje prostoriji preko grejnih tela. ƒ Vrsta goriva - čvrsto gorivo - koks ili ugalj koji sagorevaju u kotlu ili pećima; - tečno gorivo – nafta, mazut; - gasovito gorivo – prirodni gas, propan – butan; - industrijski otpaci – drveni, tekstilni, poljoprivredni otpaci; - sunčevo zračenje; - vazduh, geotermalna voda, morska voda, čija se energija koristi preko toplotnih pumpi; - otpadna toplota tehnčkih procesa čije se iskorišćenje vrši preko razmenjivača toplote ili toplotne pumpe; - električna energija. ƒ Način odavanja toplote u prostoriji - Konvektivni – osnovni udeo je preko konvekcije; - zračeći – preovladavajući način razmene topote zračenjem; - toplovazdušni – koriste procese razmene mase; - kombinovani. 10

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene Veći deo od pomenutih grupa toplotnih instalacija se realizuju u različitim varijantama, što još nalaže podelu na sledeće podgrupe. Na primer sistemi parnog grejanja se dele na sisteme niskog (p0,07Mpa) pritiska. Vodeni sistemi se prema temperaturi vode dele na - nisko - srednje i - visokotemperaturni i sl.

1.4.1. Izbor sistema za grejanje Faktori koji utiču na izbor sistema, su: - namena zgrada; - način gradnje - uslovi eksploatacije - vrsta i cena energenta koji je na raspolaganju - fiziološki zahtevi - ekološka ograničenja - zahtevi, montažnog, eksploatacionog. Ispred toplotne instalacije se postavljaju montažni, eksploatacioni i ekonomski zahtevi. a) Temperature vazduha u prostoriji i temperatura ubacivanja treba da budu približno ravnomerene u celoj prostoriji ( uniformno temperaturno polje.) U prostorijama sa malim visinama (h< 4m) to se može postići konvektivnim i panelnim zračećim sistemima za grejanje. S porastom visine h prednost se daje toplovazdušnim i lokalnim zračećim (graničnim) sistemima. Kod visokih prostorija najpogodniji su visokotemperaturni zračeći grejači. b) Regulacija toplotne snage grejnih tela prema potrebnim potrebama i željama osoblja koja se nalazi u prostoriji. To je ispunjeno sistemom koji ima dovoljnu hidrauličnu i termičku stabilnost, toplotna snaga priključenih tela se menja u procesu centralnog regulisanja proporcionalno toplotnim potrebama. Narušavanje rada instalacije vodi do neravnomerne promene temperature u prostorijama. Neuregulisanost za uslove proračunskih režima je posledica pogrešno izabrane šeme, (lošeg proračuna), a pri promenljivim uslovima (ekspoataciona neregulisanost) zavisi od termičke stabilnosti i izabrane krive regulisanja. Izvođenje stepenastog regulisanja preporučljivo . c) Grejanje ne treba da pogoršava uslove boravaka i sastava vazduha . Grejna tela treba da budu lako dostupna i treba da imaju mogućnost lakog održavanja Nedopustivo je prisustvo štetnih gasova i para u prostoriji. Isto se odnosi na buku i šum. d) Toplotni sistemi treba da su usaglašeni sa konstruktivnim karakteristikama zgrada. Za zgrade koje se masovno grade naročitu važnost ima unifikacija građevinskih elemenata, sa kojima se usavršava montaža i pripremni radovi. Pri korišćenju grejne instalacije u odgovarajućim zgradama od prvostepenog značaja je da se izbegavaju načini rada, koji bi narušili normalnu eksploataciju u prostorijama. e) Vid sistema se bira prema nameni i karakteristikama tehnoloških procesa Pri proizvodnji lakozapaljivih i eksplozivnih predmeta lokalna grejanja su zabranjena. Za grejanje zgrada, koje su namenjene za produženi boravak ljudi, stambeni objekti, administracija, kolektivni 11

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene smeštaj i dr., sa srednjetemperaturskim konvektivnim grejanjem i zračećim sistemima. Pri povišenim higijenskim uslovima se koriste podno-zračeća grejanja (vodeni, električni). f) Povišeni zahtevi za kvalitetom na ispunjavanju sistema i narastanju obima radova nalažu da se koriste instalacije, koje dozvoljavaju industrijalizaciju prethodnih i montažnih radova. Prednost imaju kombinovane horizontalne instalacije. g) Energetski pokazatelji sistema za dobijanje toplote zavise od vrste goriva i efikasnosti procesa transformacije. Koristi se i ocena: - koeficijent korisnog dejstva η=Qo.и/Qk.E gde je: Qo.и - iskorišćena energija grejne instalacije; Qk.E - predata energija sistemu; -

koeficijent grejanja :

ε=Qo.и/Qп.е,

gde je Qп.е - energija osnovnog goriva h) Ekološka održivost pri proizvodnji toplote se menja, što može da ima teške posledice na gusto naseljene rejone. i) Prihvatljivi toplotni gubici ne smeju da budu visoki. j) I osiguranje mogućnosti za očitavanje i realnu naplatu potrošene toplotne energije.

1.5. Vazduh i mikroklima Temperatura čovečjeg tela iznosi, kao što znamo, oko 37°C. U kojim god krajevima da živi, sa kakvom god klimom, on svoju temperaturu stalno održava. Za obavljanje svih čovekovih životnih funkcija, potrebna je toplota. Pri varenju i disanju vrši se pretvaranje materije i pri tome se stvara toplota potrebna za život i rad čoveka. Tu proizvedenu toplotu čovek odaje svojoj okolini, i tako se telo čuva od preteranog odavanja toplote. Odavanje toplote vrši se automatski, tzv. termičkom regulacijom organizma. Ova regulacija je moguća u određenim granicama unutrašnjih meteoroloških uslova prostorije. Ako se ove granice pređu, potrebno je u hladno godišnje doba prostorije zagrevati, u vrelo hladiti, a ustajao vazduh zamenjivati svežim, tj. vetriti. To znači, stvarati veštačku mikroklimu. Sredina koja čoveka okružuje i kojoj on predaje svoju toplotu je vazduh. Potrebno mu je oko 15 kg vazduha dnevno. Znači, moramo se pozabaviti njegovim sastavom, svojstvima i njegovom higijenom.

1.5.1. Sastav i svojstva vazduha Vazduh je mešavina gasova, i sastoji se približno od: y kiseonika (O) 21 % y azota( N) 78 % y argona(Ar) 1% y ugljen-dioksida (CO2) 0,03 %

12

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene U vazduhu ima i malih količina helijuma, hidrogena, neona, kriptona, i ksenona. Osim ovih hemijskih sastojaka u vazduhu uvek ima vodene pare, prašine, štetnih gasova, mikroba i izvesnih teško merljivih materija koje prouzrokuju zadah. Suv vazduh je higroskopan i može primiti izvesnu količinu vlage. Maksimalna količina vlage koju vazduh može da primi zavisi od njegove temperature. Topao vazduh prima više vlage nego hladan. Stvarna količina pare koju 1m3 vazduha sadrži, označena u gramima, zove se apsolutna vlažnost. Maksimalna količina vlažnosti koju vazduh moze da primi zove se vlažnost zasićenja. Odnos između stvarne vlažnosti i one pri zasićenju zove se relativna vlažnost i izražava se u procentima. Ako se topao i vlažan vazduh hladi, smanjuje mu se kapacitet za primanje vlage, a relativna vlažnost mu se povećava sve do zasićenja (Slika 1.5-1.). Ako se vazduh hladi i preko ove granice, tada se višak vodene pare zgusne (kondenzuje) i pojavi u vidu kondenzne vode (kondenzat). U prirodi se ovaj kondenzat naziva rosom (tečno stanje) ili slanom (kad je zamrznut), a na staklima prozora pojavljuje se kao zamagljenje (znojenje) ili ledeno cveće. Prašina, koje uvek ima u vazduhu može biti anorganska (habanje puteva, pločnika, obrada sirovina, habanje alatki u fabrikama...) i organska (habanje drvenih podova, obuće, odela, raspadanje biljki...). Takođe, vazduh sadrži i čađ, koja nastaje pri nepotpunom sagorevanju goriva i koje naročito ima u većima gradovima i industrijskim krajevima.

Slika. 1.5-1. Relativna i apsolutna vlažnost vazduha

1.5.2. Higijena vazduha Da bi vazduh u zatvorenim prostorijama omogućio normalan život i rad potrebno je da odgovara zahtevima higijene. Iako čovek u velikoj meri može da se prilagodi prilikama koje oko njega vladaju, za prijatno osećanje i veći efekat rada potrebno je stvoriti optimalne uslove okoline u 13

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene kojoj čovek živi i radi. Od toga u velikoj meri zavisi i zdravlje ljudi koji žive i rade u zatvorenim prostorijama. Kao materija koju čovek udiše, vazduh treba da ima dovoljno kiseonika i da bude hemijski i mehanički nezagađen. Pri disanju se troši kiseonik a produkuje ugljen-dioksid. Od kiseonika se potroši 1/5, a ugljen-dioksida ima u izdahnutom vazduhu 100 puta više nego pre udisanja (tabela 1.5-1). Tabela 1.5-1. Sastav vazduha Udahnut svež vazduh

Izdahnut vazduh

Kiseonik O

21,0%

16,5%

Uglj.dioksid CO2

0,04%

4,0%

Azot N

79,0%

79,5%

Potreba kiseonika zavisi od rada koji čovek vrši. Tek sniženje od 21% na 12% postaje opasno po organizam. Kako se kiseonik malo troši, a prostorije su retko hermetički zatvorene, opasnost od oskudice u kiseoniku ne postoji. Mada je produkcija ugljen-dioksida relativno velika, a 4% CO2 u vazduhu postaju opasni po zdravlje, ipak opasnost od nagomilavanja ne postoji, jer se vazduh menja prolaženjem kroz pukotine. Ugljen-dioksid je važan jer je indikator za meru pokvarenosti vazduha u zatvorenim prostorijama, jer se sa povećanjem njegovog sadržaja kvari vazduh raznim zadasima. Dozvoljena količina CO2 se uzima da je 0,14%. Na osnovu podataka iz tabele, može se izračunati da je potrebno 20 m3/h vazduha. Od prašine se organi za disanje refleksivno brane, ali se izvesna količina ipak zadržava na zidovima disajnih organa. Neke vrste prašine su otrovne, neke sadrže klice koje mogu biti zarazne, a neke mehanički izazivaju nadražaj. Organska prašina je podloga za mikrobe, naročito u vlažnim prostorijama bez sunčevog svetla. Ona može i da sagoreva na grejnim površinama uz razvijanje zadaha i štetnih gasova, i na sluzokoži organa za disanje izaziva lažan osećaj suvoće. Vazduh može biti zagađen i gasovima koji nastaju kao produkti sagorevanja, ili kao produkti organskog raspadanja. Ovi gasovi mogu biti i otrovni (CO), a smatraju se škodljivim i kad imaju neprijatan miris. Kao sredina koja čoveka okružuje, vazduh prvo mora omogućiti nesmetanu termičku regulaciju organizma, a to znači mora obezbediti ugodno osećanje čoveka. Odavanje toplote čovečijeg tela zavisi od funkcije koju on vrši i od uslova vazduha sredine u kojoj se nalazi. Vrši se uglavnom preko kože (88%), dok se ostali deo gubi zagrevanjem vazduha koji se udiše, izdavanjem pare iz pluća i zagrevanjem hrane i pića. Ovo odavanje se vrši zračenjem, konvekcijom, provođenjem i isparavanjem. Gubitak zračenjem zavisi od temperature okolnih predmeta, nameštaja, zidova, prozora. Pri normalnim uslovima iznosi 46%. U prostorijama koje se duže vremena ne greju osećaj hladnoće postoji iako je temperatura dovoljno visoka, jer je gubitak zračenjem prema hladnim zidovima prevelik. Gubitak konvekcijom iznosi 33% ukupne toplote i zavisi od razlike između temperature kože i vazduha i brzine kretanja vazduha. Provođenjem se gubi vrlo mali deo toplote, najviše 14

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene preko predmeta sa kojima je čovek u direktnom kontaktu. Gubitak isparavanjem se menja prema naporu koji čovek vrši, vlažnosti i temperaturi vazduha i može dostići 95% celokupnog gubitka toplote. Pri normalnim prilikama iznosi oko 19%.

Slika 1.5-2. Odavanje toplote čovečjeg tela u odnosu na temperaturu vazduha Ako telo ne može da reguliše odavanje toplote na normalan način, nastaje znojenje. Isparavanjem znoja sa vlažne kože troši se toplota. Gubitak toplote isparavanjem je utoliko teži ukoliko je vazduh više zasićen vlagom i o tome treba voditi računa. Na Slici 1.4-2. prikazano je odavanje toplote tela u odnosu na temperaturu vazduha. Kriva Qs označava odavanje toplote konvekcijom, zračenjem i provođenjem Kriva Qh označava odavanje toplote isparavanjem. Q označava ukupne gubitke Q = Q s + Qh

Menjanjem temperature, vlažnosti i brzine strujanja mogu se stvoriti optimalni uslovi. Raznim metodama je ispitivano koji su to uslovi pri kojima se čovek najprijatnije oseća. Pronađena je i sprava kojom se ustanovljavaju gubici toplote, vlažnosti i brzina kretanja vazduha (katatermometar), odnosno temperatura, brzina vazduha i zračenje okolnih predmeta (globtermometar). Tako je ustanovljeno da se čovek koji ne radi, a obično je odeven, najugodnije oseća kad je temperatura vazduha 16-20°C pri mirnom vazduhu. Ako se jedan od faktora promeni, moraju se promeniti i svi ostali da bi se zadržalo stanje ugodnosti. Na slici 1.5-3. je prikazan odnos između temperature i brzine kretanja vazduha. Vidi se da višoj temperaturi odgovara veća brzina vazduha. Kriva B-C označava najviše dozvoljene brzine struje vazduha koje nailaze na čoveka s lica pri sedenju u prostoriji. Ako struja ne dolazi spreda, brzina ne sme biti veća od 0,15 m/s.

15

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene

Slika 1.5-3. Temperatura i brzina vazduha Što se vlažnosti vazduha tiče, najugodnije je ako je relativna vlažnost 30-70%. Na slici 1.5-4. je prikazan odnos između temperature vazduha i njegove vlažnosti. Kriva označava granicu do koje se čovek oseća ugodno. Preko ove granice je područje sparine. U tablici 1.4-2 je prikazan optimalni odnos između spoljne i unutrašnje temperature vazduha i njegove relativne vlažnosti. U novije vreme se uvidelo da pored ovih pobrojanih faktora , osećaj ugodnosti u velikoj meri zavisi od temperature okolnih površina u prostoriji, pošto čovečje telo veliki deo toplote odaje zračenjem.

Slika 1.5-4. Temperatura i vlažnost vazduha

16

1. Uvod, klasifikacija sistema grejanja i oblast primene Tabela 1.5-2. Temperatura i vlažnost vazduha u prostorijama God doba Zima

Leto

Unutrašnji vazduh

Spoljni vazduh te °C

ti °C

20

Vlažnost % Minimum

Maksimum

22

35%

65%

20

22

-

65%

25

23

-

65%

30

25

-

60%

32

26

-

35%

Na slici 1.5-5. je prikazan odnos između temperature vazduha i zidova u prostoriji. Vidi se da pri nižim temperaturama vazduha temperature zidova treba da budu više, odnosno vaduh treba da bude hladniji ako su temperature zidova više. Pri temperaturi vazduha 15-25°C, vlažnosti ϕ=30-70% i mirnom vazduhu čovek se oseća ugodno kada sredina između tempurature vazduha i temperature zidova iznosi oko 20°C (šrafirano označava zonu ugodnosti).

Slika 1.5-5. Temperatura vazduha i zidova

17

2. Termički komfor

2. Termički komfor 2.1. Uvod Pema ASHRAE termički uslovi ugodnosti određene osobe definisani su kao ono stanje svesti koje izražava zadovoljstvo termičkim stanjem okoline. S obzirom na to da svaki čovek ima subjektivan stav o udobnosti za različite aktivnosti, to otežava posao inženjera čiji je zadatak da omogući stvaranje uslova prihvatljivih za veći broj ljudi. Ključni parametri koji determinišu uslove termalnog komfora su svrstani u dve grupe: termički uslovi sredine i lični uticaji (parametri). Termički uslovi sredine: y temperatura vazduha y relativna vlažnost vazduha y relativna brzina vazduha y srednja temperatura zračenja okružujućih površina Lični uticaji: y stepen aktivnosti y termički otpor odeće Energija potrebna za obavljanje funkcija ljudskog organizma razvija se u organizmu putem oksidacije hrane. Ovaj proces se zove metabolizam. Jedan deo ovako dobijene energije koristi se kao što je rečeno za obavljanje funkcija organizma, dok se drugi deo transformiše u toplotu. Ova toplota treba da je stalno u ravnoteži sa oklinom kako bi se telesna temperatura održavala konstantnom.

2.2. Energetski bilans čoveka A = M + W +Z + K + P - I – RES ........................................................................ (2.1) gde su: AMWZKPIRES -

akumulirana toplotna energija metabolizam spoljni rad razmena toplote zračenjem razmena toplote konvekcijom razmena toplote provođenjem toplotni gubici isparavnjem gubici toplote putem respiracije

Kako je za uslove ravnoteže A=0, biće: M + W - I - RES = Pc1 ........................................................................................... (2.2) gde je Pc1 = Z + K - provođenje kroz odeću. 21

2. Termički komfor

2.2.1. Metabolizam M Energija koja se proizvede u telu (oksidacijom), metabolička energija M, delom se pretvara u mehaničku energiju W, delom ostaje kao toplota tela. Vrednost M varira u zavisnosti od aktivnosti. Jedinica ove energije je „met”, pri čemu je: 1 met =58.2 [Wf/m2] Za zdravu mušku osobu od 20 godina, maksimalni kapacitet metaboličke energije je M=12 met, dok za osobu od 70 godina ova vrednost je oko M=7 met. Vrednosti metaboličke energije za različite aktivnosti čoveka date su u tabeli 2.2-1. Tabela 2.2-1. Primer vrednosti metabolizma za razne vrste aktivnosti met.

W/m2

0.8

47

1

56

Rad sedeći (kancelarija, kuća, laboratorija, škola)

1.2

70

Stajanje, relaksirano

1.2

70

Lagan rad, stojeći (kupovina, laboratorija, laka industrija)

1.6

93

Srednje težak rad, stojeći (prodavnica, kuća, mašina)

2

116

Težak rad

3

175

Aktivnost: Ležanje Sedenje, mirno

2.2.2. Spoljašnji rad W Spoljašnji rad može biti pozitivan i negativan. Ako se osoba fizički optereti ona troši energiju. Ova energija se deli na dva dela: jedan za savlađivanje otpora opterećenja (W je pozitivno), a drugi je unutrašnja energija. Odnos ovih energija je 1:4. Tako na primer, ako je potreban rad od 10 W/m2, metabolizam proizvodi 50 W/m2. Preostalih 40 W/m2 se mora odvesti u okolinu kako bi temeratura tela ostala konstantna. Rad W može biti i negativan, na primer pri kretanju osobe nizbrdo, kada se mora kočiti. Tada se deo potencijalne energije u mišićima pretvara u toplotu.

2.2.3. Gubitak toplotne energije isparavanjem I Jedan deo energije gubi se zbog difuzije vode kroz kožu Id, a drugi zbog isparavanja znoja sa površine kože Izn. I d = 3.05 ⋅ 10 −3 ⋅ ( p k − pi ) [

W m2

] , ....................................................................... (2.3)

pk - parcijalni pritisak pare na temeraturi kože [Pa] pi - parcijalni parcijalni pare na okružujućeg vazduha [Pa] Za upotrebu je podesnija temperatura tk, pa s obzirom na vezu pk = 256 ⋅ t k − 3373 .............................................................................................. (2.4)

22

2. Termički komfor biće: I d = 3.05 ⋅ 10 − 3 ⋅ (256 ⋅ t k − 3373 − pi ) [

W ] ........................................................ (2.5) m2

Gubitak energije difuzijom vodene pare kroz kožu je permanentno i ne kontroliše ga termoregulacioni sistem organizma. Gubitak toplote znojenjem je jedan od najefikasnijih načina oslobađanja toplote. Veličina ove energije varira od 0 W/m2 pri mirovanju do 400 W/m2 pri teškom radu.

2.2.4. Gubitak toplotne energije respiracijom RES Toplotna energija se gubi zbog toga što je izdisani vazduh topliji od udisanog, kao i zbog razlike u sadržaju vlage. Gubitak zbog razlike u temperaturama je: Eres=0.0014 M (34-ti) [ W/m2 ] , .......................................................................... (2.6) Temperatura izdisanog vazduha je približno 34 °C. Ovaj gubitak je zanemarljiv. Na primer za osobu koja trči (M=400 W/m2) pri temperaturi t=10 °C, Eres je 25 W/m2. Gubitak toplote usled razlike u sadržaju vlage izdisanog i udisanog vazduha (latentni gubitak) iznosi: E L = 1.72 ⋅ 10 −5 ⋅ M ⋅ (5867 − pi )W / m 2 , .............................................................. (2.7)

Za isti primer kao gore , pi=600Pa ( f=50% ) ovaj gubitak iznosi 36 W/m2. Konačno, gubitak usled respiracije je: RES=Eres+EL

2.2.5. Provođenje toplote kroz odeću Pcl Razmena toplote kroz odeću se definiše na sledeći način:

Pcl =

(t k − t cl ) , ................................................................................................. (2.8) 0.155 ⋅ I cl

gde su tk - srednja temperatura kože [°C] tcl - temperatura površine odeće [°C] Icl - termička izolacija odeće [Clo] Jedinica termičke izolacije odeće je „Clo” od engleske reči Cloth što znači odeća. To je bezdimenziona veličina koja predstavlja odnos otpora prolazu toplote od površine kože do spoljne površine obučenog tela (Rcl) prema otporu 0.155 m2K/W, koji odgovara „najpovoljnijoj” odeći na temperaturi 20 °C u stanju mirovanja. Znači: 1 Clo=0.155 m2K/W ili Icl=Rcl/0.155 .......................................................................................................... (2.9) Ispod u tabeli 2.2-2. date su vrednosti za Icl za razne kombinacije odeće. 23

2. Termički komfor Tabela 2.2-2. Vrednosti za Icl Icl

m2K/W

0

0

Osoba u šorcu

0.1

0.016

Tipično tropsko odelo

0.3

0.047

Lagana letnja odeća

0.5

0.078

Radno odelo

0.8

0.124

1

0.155

1.5

0.233

Kombinacija odeće Naga osoba

Tipično zimsko odelo za zatvoren prostor Teško tradicionalno evropsko poslovno odelo

2.2.6. Razmena toplote zračenjem Z Razmena toplote zračenjem se odvija između površina osobe (koža, odeća) i okružujućih površina (prozori, zidovi, grejna tela). Određuje se na sledeđi način: Z = f ef ⋅ f cl ⋅ ε ⋅ σ ⋅ (tcl + 273) 4 − (t z + 273) 4

[ W/m2 ], ................................... (2.10)

gde su: fef - faktor zračenja efektivno zračeće površine, tj. odnos efektivne površine zračenja obučenog tela prema površini obučenog tela fcl - faktor površine odeće, tj. odnos površine obučenog prema površini golog tela ε - emisivnost spoljne površine obučenog tela, koristi se ε =0.97 σ - Stefan-Bolcmanova konstanta: σ = 5.77 ⋅ 10 −8 W / m 2 K 4

tcl - temperatura površine odeće [°C] tz - srednja temperatura zračenja okružujućih poršina [°C] Faktor fcl uvodi se zbog toga što se sve prethodne relacije odnose na m2 golog tela, a zračenje se odvija sa površine odeće. Faktor fef uzima se zbog toga što neki delovi tela ne razmenjuju toplotu sa okolinom nego između sebe (na primer ruke i telo, između nogu). Za osobu koja sedi, ovaj faktor ima vrednost 0.696, dok za osobu koja stoji, ima vrednost 0.725. Može se uzeti srednja vrednost fef=0.71. Srednja temperatura zračenja okružujućih površina tz se definiše kao uniformna temperatura okružujućih površina, koja će rezultovati u istoj razmeni toplote, kao u stvarnoj sredini. Određuje se iz relacije: t z = 4 ( F p −1 ⋅ T14 + Fp − 2 ⋅ T2 4 + ... + Fp − n ⋅ Tn 4 − 273 , ......................................... (2.11)

gde su: Tn - temperatura površine "n" [K] Fp-n - vidni ugao između osobe i površine "n" Posle uvrštavanja se dobija: 24

2. Termički komfor

Z = 3.95 ⋅ 10 −8 ⋅ f cl ⋅ (Tcl 4 − Tz 4 ) W / m 2 , ........................................................... (2.12) Za uobičajene vrednosti unutrašnjih temperatura (10-30 °C) ova jednačina se može napisati u linearnoj formi: Z = 3 . 95 ⋅ 10 − 8 ⋅ f cl ⋅ (Tcl − T z ) W / m 2 , ...................................................... (2.13)

2.2.7. Razmena toplote konvekcijom K Zbog razlike temperatura površine osobe i okolnog vazduha javlja se prirodna konvekcija. Ukoliko vazduh prisilno nastrujava oko osobe (bilo ventilatorom, bilo zbog promaje), onda se radi o nasilnoj konvekciji. Razmena toplote konvekcijom se određuje na sledeći način:

K = f cl ⋅ α k ⋅ (tcl − ti ) W/m2 , ........................................................................... (2.14) gde je:

α k - koeficijent prelaza toplote konvekcijom [W/m2K] Eksperimentalno je utvrđeno da je za slobodnu konvekciju:

α k = 2.38 ⋅ 4 tcl − ti [W/m2K], .......................................................................... (2.15) a za prinudnu:

α k = 12.1 ⋅ vur [W/m2K] , .............................................................................. (2.16) gde je: vur - relativna brziina okolnog vazduha Obično za slobodnu konvekciju važi vur ≤ 0.1m/s.

2.2.8. Uslovi termalnog komfora Za ostvarivanje termalnog komfora neophodno je zadovoljenje jedačine komfora. Međutim to nije dovoljno i za njegovo održavanje. Termalni komfor će biti osiguran samo u uskoj oblasti parametara okružujuće površine. Ovo područje se razllikuje zavisno od osobe i vrste aktivnosti. Da bi se utvrdila zavisnost između aktivnosti i srednje temperature kože kao i aktivnosti i gubitka znoja, sprovedena su istraživanja sa osobama u uslovima termalnog komfora. Na taj način su dobijeni sledeći rezultati: tk=35.7-0.0275(M-W) [°C] Izn=0.42(M-W-58.2) [W/m2] Rezultati su prikazani na dijagramima (Sl. 2.2-1. i Sl. 2.2-2.)

25

2. Termički komfor

Slika 2.2-1. Srednja temperatura sobe tk u funkciji aktivnosti za osobe u termalnom komforu

Slika 2.2-2. Gubitak toplote isparavanjem Izn u funkciji aktivnosti za osobe u termalnom komforu

Iz dijagrama se vidi da se pri pojačanoj aktivnosti temperatura kože smanjuje, a gubitak znoja povećava. Obadve reakcije povećavaju gubitak toplote iz unutrašnjosti tela prema okolini.

2.2.9. Jednačina termičkog komfora Unošenjem prethodnih relacija u jednačinu komfora dobija se: ( M − W ) − 3.05 ⋅ 10 −3 (5733 − 6.99(M − W ) − pi ) − − 0,42((M − W ) − 58.2) − 1.7 ⋅ 10−5 M (5887 − pi ) −

(

)

− 0,0014M (34 − ti ) = 3,96 ⋅ 10 −8 f ce Tce 4 − Tz 4 + f ceα k (tce − ti ) ......................... (2.17)

26

2. Termički komfor

gde je: tce = 35,7 − 0,028(M − W ) − 0,155 ..................................................................... (2.18) ⎧⎪2,384 tcl − ti

za

2,384 tce − ti

>

12,1 vur

⎪⎩ 12,1 vur

za

2,384 tcl − ti

<

12,1 vur

αk = ⎨

⎧⎪ 1 + 0,2 I cl f cl = ⎨ ⎪⎩1,05 + 0,1I cl

za

I cl < 0,5Clo

za

I cl > 0,5Clo

........................... (2.19)

........................................................... (2.20)

Jednačina komfora određuje one kombinacije aktivnosti, odeće i četiri varijable okružujuće sredine (ti, tz , vir , ϕi ), koje će osigurati termalni komfor.

2.2.10. Praktična primena jednačine termičkog komfora Jednačina komfora je kompleksna i nepodesna za ručno računanje, pa je zbog toga rešena na računaru na osnovu čega je razvijeno 28 dijagrama za praktičnu namenu. U principu se prvo biraju stepen aktivnosti, vrsta odeće a onda se iz dijagrama komfora biraju kombinacije 4 parametra okruženja, koje će osigurati termalni komfor.

2.2.11. Individualne razlike S obzirom na individualne razlike jednačina komfora ne može zadovoljiti svakog pojedinca. Međutim ona daje razultate koji zadovoljavaju najveći broj ljudi. Na osnovu istraživanja, utvrđeno je da je najbolji dostižni rezultat nezadovoljstvo između 5% grupe. Svako odstupanje od jednačine komfora povećaće ovaj procenat. Da bi se utvrdila prihvatljivost rezultata jednačine komfora ispitivani su i sledeći uticaji: y promena u uslovima za ljudski komfor od dana do dana Zaključeno je da uslovi komfora za pojedince mogu varirati neznatno iz dana u dan. y starosno doba Ispitivanjem raznih starosnih grupa u identičnim eksperimentalnim uslovima utvrđeno je da termalno okruženje koje odgovara starijim osobama nije bitno razločito od onoga koje zadovoljava mlađe. y adaptacija Rezultati istraživanja različitih grupa (ljudi iz tropskih krajeva, radnici u hladnjačama i dr.) su pokazala da se čovek ne može naviknuti na topliju ili hladniju klimu. y pol Muškarci i žene preferiraju skoro ista termička okruženja. y sezonski i dnevni ritam Nema razlike između uslova komfora leti i zimi, kao ni tokom dana. y boja i zvuk Istraživanja su pokazala da korišćenje „toplijih” boja na zidovima zimi ili „hladnijih” leti ne daju rezultate. 27

2. Termički komfor

2.3. Lokalna termalna neugodnost – nekomfor 2.3.1. Uzroci lokalne termalne neugodnosti Čovek se ne oseća ugodno, ako mu je jedan deo tela topao a drugi hladan. Zbog toga se uvodi novi zahtev za termalnim komforom, tj. da ne postoji lokalnih neugodnosti - nekomfora, na bilo kom delu tela. Lokalne neugodnosti mogu biti uzrokovane sledećim pojavama: y asimetrično polje zračenja (hladni prozori, topla grejna tela itd.) y lokalno konvektivno hlađenje (promaja) y kontakt sa toplim ili hladnim podom (podno grejanje) y radi razlike u temperaturama vazduha po visini od stopala do glave y Asimetrično polje zračenja se opisuje parametrom poznatim pod nazivom „asimetrija temperature zračenja”, ∆tpr. Asimetrija temperature zračenja je definisana kao razlika temperatura zračenja između dve suprotne strane malih elemenata ravni. Asimetrija temperature zračenja od prozora ili drugih hladnih vertikalnih površina treba biti manja od 10°C (u odnosu na vertikalnu ravan 0,6 m iznad poda). Asimetrija temperature zračenja od toplog grejanog stropa će biti manja od 5°C (u odnosu na horizontalnu ravan 0,6 m iznad poda). y Pod promajom se podrazumeva nepoželjno lokalno hlađenje ljudskog tela radi kretanja vazduha, što može biti ozbiljan problem ne samo u objektima nego i u automobilima, vozovima i avionima. Promaja je jedan od najneugodnijih faktora okružujuće sredine na radnom mestu.

Slika 2.3-1. Preporuka za brzine vazduha prema postojećim standardima i poređenje sa rezultatima Christiansen-a

Preporučene vrednosti srednjih brzina prema ISO 7730: y va Pk. Kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije postoji problem definisanja stepena korisnosti. Ako se definiše termički bruto stepen korisnosti kao odnos između proizvedene električne energije i iskorišćene toplote i toplote dovedene gorivom:

448

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

ηtb =

Pel + Qt

..................................................................................................... (17.3)

QBET

ako uzmemo termički stepen korisnosti proizvodnje električne energije:

η el =

Pel QBET

.......................................................................................................... (17.4)

imamo:

η tb = η el (1 +

QT ) ............................................................................................... (17.5) Pel

Vidi se da je ηtb veće od ηel (samo kod proizvodnje električne energije). Međutim, ovakva definicija stepena korisnosti nije najispravnija, sa gledišta drugog zakona termodinamike, jer su električna i toplotna energija dve vrste energije sastim različite vrednosti. Otuda možemo da definišemo termički neto stepen korisnosti:

ηtn =

Pel QBET

− QT

.................................................................................................. (17.6)

Dijagram na slici 17.4-8. ilustruje promenu ovog stepena korisnosti za turbinu nazivne snage od 550 MWE. Vidi se da ovaj stepen korisnosti u protivpritisnom pogonu može dostići preko 80%, dok je u čisto kondenzacionom pogonu jedva nešto preko 40% kod punog opterećenja. Otuda je jedan od najispravnijih načina dokazivanja mogućne prednosti kombinovane proizvodnje električne i toplotne energije u izračunavanju uštede goriva. 17.4.1.6. Potrošnja i ušteda goriva kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije Kombinovanim procesima postižu se uštede u gorivu, koje zavise od stepena korisnosti pojedinih procesa i stepena sprezanja. Potrošnja goriva TE-TO dobija se iz odnosa: QBET =

Pkom

ηP

+

QT

ηT

+

Pk

ηk

+

QVR

ηT

........................................................................... (17.7)

Ovde je: Pkom - struja dobijena iz kombinovane proizvodnje QT - toplota oduzete pare korisno upotrebljene u sistemu DG PK - električna snaga dobijena od pare koja ide u kondenzator QVR - eventualna količina toplote koja se uzima direktno iz generatora pare Dakle, potrošnja goriva se sastoji iz potrošnje goriva za dobijanje električne energije i toplote.

BET = BTET + BPET.............................................................................................. (17.8) BTET - potrošnja goriva za dobijanje toplotne energije BPET - potrošnja goriva za dobijanje električne energije.

449

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST Ukupna ušteda u gorivu dobija se kao razlika ukupne potrošnje goriva kod odvojene proizvodnje električne energije u TE i toplote u TO, i potrošnje goriva kod kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije u TE-TO.

∆B = BODV - BET .................................................................................................. (17.9) Ako se ova razlika izrazi prema obliku energije, imamo:

∆B = ∆Be + ∆Bt ................................................................................................. (17.10) ∆Be - ušteda goriva na proizvodnji električne energije ∆Bt - ušteda goriva na proizvodji toplotne energije Najveći uticaj na uštedu goriva imaju, kod kombinovane proizvodnje, udeo oduzete pare za dobijanje toplote za grejanje i udeo oduzete pare za regeneraciju. Ušteda u gorivu kod kombinovane proizvodnje električne energije, u poredjenju sa odvojenom proizvodnjom, najvećim delom proističe iz činjenice da se deo toplote umesto u kondenzator odvodi u SDG (kod proizvodnje toplote generatorima pare većih kapaciteta, veći je i stepen korisnosti).

Slika 17.4-8. Poređenje snage jedne TE-TO (a) sa TO (b) i TE (c), za iste toplotne i električne snage. Qgub-toplotni gubici i toplota odvedena kondenzacijom, Qb-toplota dovedena gorivom, Qt-toplota grejanja, Pel-električna snaga Na primeru turbine čiji je dijagram rada dat na slici 17.4-8. može se zaključiti sledeće: Kod kombinovane proizvodnje imamo (za istu proizvedenu električnu i toplotnu energiju) manje gubitaka i to za 432 MW, naspram 787 MW + 116 MW kod odvojene proizvodnje. Pored toga potrošnja toplote goriva je 1400 MW, prema 1290 + 581 = 1871 MW. Iz bilansa proizvodnje električne i toplotne snage, sledi: 1. Nazivna snaga 550 MW 2. Dovedena toplotna snaga 1273 MW 3. Snaga napojne pumpe 13 MW 4. Proizvodnja samo električne energije: 450

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST - električna snaa 551,5 MW - termički stepen korisnosti 43,4% 5. Kombinovana proizvodnja - električna snaga kod 0% grejanja 550 MW - električna snaga kod 100% grejanja 471 MW 6. 100% snaga grejanja 705 MW 7. Termički stepen korisnosti kod 0% grejanja 43,2 % 8. Termički stepen korisnosti kod 100% grejanja 82,9% Vidi se da se kod proizvodnje samo električne energije (TE) dobija “višak” od 79 MW, u odnosu na kombinovanu proizvodnju (TE-TO). Ako bi se ova električna snaga kod potrošača pretvorila u toplotu, na raspolaganju bi bila samo 79 MW toplotne snage. Medjutim, na račun manjka od 79 MW, kod kombinovane proizvodnje imamo na raspolaganju 705 MW toplotne snage, što je oko 9 puta više. Znači, a proizvodnju 9KW toplotne snage, “gubimo” samo 1 kW električne snage. 17.4.1.7. Rad turbine kod promenljivih uslova Promena nekog od nezavisno promenljivih parametara (električna snaga, količina sveže pare i pritiska kod regulisanog oduzimanja, količina pare kod regulisanog i neregulisanog oduzimanja) izaziva promenu ostalih parametara, naročito stepena korisnosti stupnjeva, izentropskog rada i pritiska kod neregulisanog oduzimanja.

Broj stupnjeva grejanja

Polazna i povratna temp SDG

Godina ulaska u pogon

Danska Danska Švedska Nemačka Švedska Švedska Švedska Švedska Danska Austrija Danska Finska Danska Švedska Švedska Nemačka

MPa/°C/°C

Zemlja

Grad Aarhaus Aarhaus Stocholm Berlin Vasteras Vasteras Uppsala Norrkoping Odense Beč Alborg Helsinki Odense Malme Orebro Mannheim

Maks.el. snaga

BBC BBC BBC-Stal KWU BBC-Stal KWU KWU KWU BBC KWU BBC BBC-Lang Stal Stal Stal BBC

Maks.top. snaga

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Proizvođač

Broj

Tabela 17-4.1. Pregled najvećih instalisanih turbina u Evropi

488 488 384 372 372 372 349 337 326 279 267 265 262 250 244 241

375 375 270 300 270 265 197 250 285 377 285 152 205 160 115 85

24/535/540 24/535/540 17.8/535/535 19/535/535 17.8/535/535 17.8/535/535 17.8/535/535 17.8/535/535 17.8/530/530 19.6/535/535 17.8/530/530 13/530 17.8/535/535 12.5/535/535 13.8/535 1.9/530

2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2

125/70 125/70 90/50 82/47 90/50 90/50 85/55 90/50 85/45 129/67 85/45 85/50 85/45 120/70 90/55 90/55

1983 1984 1976 1985 1973 1969 1973 1972 1974 1979 1973 1984 1968 1978 1974 1982

451

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST U našoj zemlji ovih postrojenja je malo. Ona čine svega oko 5% instalisanih kapaciteta. Pregled svih TE-TO u našoj zemlji dat je u tabeli 17.4-2. Kogenerativnim postrojenjima poslednjih godina u EU poklanja se velika pažnja. Do ovoga je došlo iz dva razloga. Prvi razlog je u nesigurnosti u snabdevanja gorivom, kao i porast troškova istog. Drugi razlog proističe iz dokumenta donetog na nivou EU 1997. godine, u kome je kao strateški cilj na nivou EU doneta odluka da do 2010. godine bude proizvedeno 18% električne energije u kogenerativnim postrojenjima. U tabeli 17.4-1 dat je pregled nekih od značajnijih TE-TO u Evropi. Da bi se odredile funkcionalne zavisnosti između protoka sveže pare, električne snage, odate toplote turboagregata i ostalih parametara koji određuju pogonski režim i ekonomičnost za čitavo radno područje, neophodni su obimni proračuni. Zato se ove zavisnosti najčešće daju u vidu dijagrama. Tabela 17.4-2. Termoelektrane-toplane u sistemu elektroprivrede Srbije TURBINA

127.5 127.5 109 36 36 56

400-700 555 555 535 425 425 500

-

230 270 210 -

20 20 20 21 -

Nominalni spec. utr. pare kJ/kWh)

32 135 110 120 10 5 28

Nom. snaga

°C Rashladna voda

93.2 93.4 93.7 76.5 76.4 90

Tem.

Međupregr. pare

Temperatura (°C)

560 560 540 450 450 505

Pritisak (bar)

137.7 137.7 117.7 42 42 64

Nominalna snaga (MW)

420 500 330 40 40 80

Stepen iskorišćenja (%)

1,2,3 1i2 3 1i2 1 2 3

Temperatura (°C)

Beograd Novi Sad Zrenjanin Energana Sremska Mitrovica

Pritisak (bar)

Blok

Nominalni kapacitet (t/h)

TE-TO

Param. isp. turb.

Napojna voda

KOTAO Param. pare

Naziv

TETO

17556 96 10163 245 9820 12865 120 50 -

Parametri pare u TE-TO, kako se iz prethodnih tabela i iz dosadašnjeg izlaganja može uočiti, znatno se razlikuju od onih potrebnih za rad TO. Kao odlučujući parametri pare uzimaju se parametri neophodni za rad parne turbine. Oni određuju temperaturu i pritiske u samom postrojenju. Ako pogledamo Tabele 17.4-1 i 17.4-2 možemo uočiti da se radni pritisci u kombinovanim postrojenjima u našoj zemlji kreću od 40 do 140bar, dok u svetu idu i preko 200bar-a. Kako je već rečeno, sa porastom ovih parametara raste stepen iskorišćenja samog postrojenja. Otuda se javlja i težnja za povećanjem parametara pare. Međutim, usled ovoga mogu da se jave određeni problemi. Prvi problem je u visini investicionih troškova. Sa porastom radne temperature preko 520°C, kako je već ranije pomenuto, dolazi do znatnog poskupljenja investicionih troškova usled prelaza sa feritnih na austenitne čelike koji su znatno skuplji.

452

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST Drugi problem javlja se otuda što visoki parametri pare, zbog povećanja stepena iskorišćenja postrojenja nameću izgradnju velikih postrojenja. Ovo međutim nije uvek opravdano. Ovako velika postrojenja zahtevaju stalni rad pod velikim opterećenjem jer pri radu sa kapacitetom koji je manji od nominalnog imaju stepen iskorišćenja koji je znatno manji od stepena iskorišćenja pri radu sa punim kapacitetom. Otuda su i troškovi rada pri radu sa smanjenim opterećenjem znatno povećani, što zahteva stalni rad ovih postrojenja sa kapacitetom koji je približno jednak nazivnom. 17.4.1.8. TO-TE sa gasnim turbinama otvorenog procesa (OGTU) Primena gasne turbine otvorenog procesa za pokrivanje vršnog električnog opterećenja i u svrhu DG problematična je zbog kratkog vremena korišćenja i potrebne elastičnosti proizvodnje (dodatno ložište ili dodatna TO sa istim gorivom), kao i zbog razlike u kretanju nivoa toplotnog i električnog opterećenja (u vezi stim, zbog neophodnosti primene akulatora toplote). Ako se pođe od toga da će postrojenje s gasnom turbinom odtvorenog procesa biti postavljena pre svega da bi se obezbedila toplotna energija u SDG, onda takva gasna turbina može imati široko polje ekonomične primena (pod pretpostavkom da se raspolaže tečnim ili gasovitim gorivom). Gasne turbine otvorenog procesa primenjene u TE-TO imaju u odnosu na parne sledeće prednosti: - visoke ulazne i izlazne radne temperature obezbedjuju pokrivanje, u svakom slučaju, toplotnog opterećenja u oblasti niskotemperaturnih i srednjetemperaturnih procesa, kakvi se javljaju kod DG. - visina temperature otpadnih gasova nakon odavanja toplote ne utiče na efekat procesa, što nije slučaj kod parnih turbina, gde nivo izlaznih parametara pare bitno utiče na odvajanje električne snage (gubitak snage kod gasne turbine otvorenog ciklusa je 1,5 - 2,5 % zbog pada pritiska u generatoru toplote), - kod gasnih turbina jednostavno je prilagodjavanje potrebnom toplotom opterećenju (npr. samo delimično korišćenjem otpadne toplote), - i kod malih jedinica mogu se postići visoke ulazne temperature, a time i visoki stepen korisnosti, pa je moguća primena gasnih turbina i kod manjih i srednjih snaga, - gasne trubine otvorenog procesa imaju jeftinija postrojenja, zahtevaju manju površinu u odnosu na instalisanu jedinicu snage, niže dimnjake i manju potrošnju rashladne vode. - visina parametara mreže DG ne utiče bitno na ekonomičnost TE-TO, što nije slučaj kod parnih turbina, kod kojih je proizvodnja struje u protivpritisnom pogonu zavisna od parametara nosioca toplote mreže DG. Nedostatak OGTU je u tome što stepen korisnosti znatno opada sa smanjenjem opterećenja. Ukupno iskorišćenje toplote goriva je nešto manje nego kod parnog procesa. Sa gledišta primene gasnih turbina otvorenog procesa u sistemu DG, potrebni su drugačiji parametri nego kod gasnih turbinskih postrojenja za pokrivanje vršnog električnog opterećenja. Prednost imaju turbine sa relativno malim odnosom pritiska. -

dovedena toplota

qdov = c p (T3 − T2 )

-

rad

W = c p ((T3 − T4 ) − (T2 − T1 ))

453

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

Slika 17.4-9. Otvoreni Džulov proces: a) T-s dijagram, b) osnovna šema Kod gasne turbine otvorenog procesa, ventilator usisava vazduh iz okoline, sabija ga u komoru za sagorevanje, gde se gorivo ubrizgava i sagoreva. Gas dobijen sagorevanjem služi za pogon turbine. Vreli otpadni gas iz turbine može ići ili direktno u atmosferu (čista proizvodnja struje) ili preko izmenjivača, i tada daje toplotu za grejanje (kombinovana proizvodnja električne i toplotne energije).

η η

Slika 17.4-10. Stepen korisnosti gasne turbine u zavisnosti od temperature ulaznih gasova

454

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

Slika 17.4-11. Zavisnost snage jedne gasne turbine od temperature okoline (Pa-projektovana snaga) Stepen korisnosti gasne turbine otvorenog procesa u velikoj meri zavisi od temperature ulaznih gasova u turbinu što je vidljivo na prethodnoj slici. Kod korišćenja gasne turbine otvorenog procesa za kombinovanu proizvodnju koristi se otpadna toplota turbine za grejne svrhe. Pri tom važna je minimalno moguća temperatura izlaznih gasova nakon zagrevanja vode u grejaču SDG, zbog pojave niskotemperaturne korozije (može se uzeti da iznosi tH = 100°C). Kod primene gasne turbine otvorenog procesa u oblasti osnovnog opterećenja, dobija se velika količina toplote u odnosu na električnu snagu (mali odnos P/QH kod relativno male dovedene toplote).

Slika 17.4-12. Iskorišćavanje toplote kod gasne turbine sa otvorenim procesom za SDG: 1,2,3,4, H-tačke stanja Ako se toplota QH preda sistemu DG, podrazumevajući i postignutu snagu P, kod odvojene proizvodnje bilo bi potrebno dovesti toplotu: odv = Qdov

QH

η gp

+

P

ηtηtra

......................................................................................... (17.11)

gde je:

ηgp - stepen korisnosti generatora pare ηt - termički stepen korisnosti parne turbine ηtra - stepen korisnosti transformacije energije kod dobijanja električne energije Gasno turbinsko postrojenje otvorenog procesa traži dovedenu toplotu: 455

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST GTP Qdov =

GTU Qdov

η ks

.................................................................................................. (17.12)

gde je:

ηks - stepen korisnosti komore sagorevanja Ušteda u gorivu je: odv GTP ∆Qdov = Qdov − Qdov ........................................................................................ (17.13)

Nivo iskorišćenja toplote otpadnih gasova ograničen je opasnošću pojave niskotemperaturne korozije. 17.4.1.9. TO-TE sa gasnim turbinama zatvorenog procesa Kod gasne turbine zatvorenog procesa radni medijum nisu produkti sagorevanja, već se radi o dva odvojena toka. Produkti sagorevanja (u otvorenom procesu) predaju toplotu sabijenom radnom fluidu (vazduhu ili helijumu) u izmenjivaču toplote, u komori sagorevanja. Radni fluid predaje turbini rad i hladi se pre ponovnog sabijanja, često višestepeno (gornji stepen hladjenja može se iskoristiti za potrebe daljinskog grejanja). Kod turbina zatvorenog procesa može se primeniti širi izbor goriva nego kod GTU otvorenog procesa , ali ne tako širok kao kod parnih procesa. Zbog velikog udela austenitnih materijala postoje stroži zahtevi u pogledu uticaja na koroziju i šljaku (ulje, gas, kameni i mrki ugalj, sagorevanje ugljene prašine). Postavljena šema jedne gasne turbine zatvorenog procesa data je na slici 17.4-13.

Slika 17.4-13. Pojednostavljena šema jedne gasne turbine sa zatvorenim procesom (a-turbina, b-prenos, c-elektrogenerator, d-motor za pokretanje, e-grejač vazduha, f-izmenjivač toplote, g-kompresor višeg pritiska, h-kompresor nižeg pritiska, i-prethladnjak, k-međuhladnjak)

U pogledu principa rada GTU zatvorenog procesa je unekoliko slična parnom procesu. 456

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST Da bi se sagledale osobine gasne turbine zatvorenog procesa, dati su uporedni dijagrami za turbinu otvorenog i parnog procesa, za turbine sličnih snaga.

Slika 17.4-14. Specifična potrošnja toplote kao funkcija električnog opterećenja (a-TU s otvorenim gasnim procesom, b-parna turbina, c-TU s zatvorenim gasnim procesom, n-nominalna potrošnja) O postojanju TE-TO sa gasnim turbinama u našoj zemlji nemamo precizne podatke. Izrada ovakvih postrojenja ima određene prednosti navedene u prethodnom delu. Naročito su zgodna za sisteme daljinskog grejanja koji su fizički izdvojeni od sistema daljinskog grejanja i kod onih kod kojih se pored vrele vode za grejanje javlja i potreba za tehnološkom ili drugom parom. Međutim postoje i određeni nedostaci ovakvog postrojenja i to: - veća investiciona cena (visoke radne temperature nameću i skuplje materijale-austenitne čelike). - veće jedinična cena proizvedene toplote i električne energije zbog korišćenja skupljih vrsta goriva (gas, lož ulje i sl) - nestabilnost cene goriva na svetskom tržištu kao i potpuna zavisnost ovih postrojenja od uvoza i dr. Sve ove parametre treba uzeti u obzir pre donošenja eventualne odluke u izradi ovakvog postrojenja. Na osnovu navedenih podataka i izvršene delimične analize može se zaključiti da je za donošenje eventualne odluke o izgradnji TE-TO bilo sa parnom bilo sa gasnom turbinom neophodno izvršiti detaljnije analize. Pored uštede energije i zaštiti životne sredine koje postaju sve značajniji u razvoju društva, na razvoj ove tehnologije obavezuju nas i dokumenti doneti na nivou EU, koji nameću određena pravila ponašanja i nama, kao eventualnim budućim članovima EU. Sa druge strane, sva ova postrojenja zahtevaju visoke investicione troškove, i pokazuju isplativost pri određenim parametrima koji znatno prevazilaze postojeće instalisane kapacitete. Otuda je neophodno, pre eventualne odluke o izgradnji ovakvih postrojenja sve ovo uzeti u razmatranje, ali i izvršiti dodatne tehnoekonomske analize, sa oslanjanjem na postojeća domaća postrojenja i iskustva pre svega.

457

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

17.4.2. Alternativna goriva Tehnike generisanja toplotne energije iz klasičnih fosilnih goriva su pouzdane i dobro dokazane, dok se iskustva sa alternativnim-nekonvencionalnim gorivima tek stiču. Da bi se bolje koristila alternativna goriva (npr. biomase, agroindustrijski ostaci i sl.). učinjeno je dosta napora da se istraže specifičnosti karakteristika ovih goriva, kako bi se prevazišla tehnološka ograničenja. Područja u kojima je postignut odredjeni tehnološki napredak u tretmanu goriva su sistemi sagorevanja te oprema za smanjenje zagadjenja okoline.

17.4.3. Trigeneraciono apsorpciono parno hlađenje Trigeneracija je koncept izveden iz tri različite forme energije dobijene iz primarnog energetskog izvora, a to su za: I) grejanje, II) hladjenje i III) generisanje električne energije. Pod trigeneracijom se podrazumeva i CHCP (Combined Heating, Cooling and Power Generation). Ova opcija omogućava veću pogonsku fleksibilnost na lokalitetu koji zahteva energiju za grejanje, kao i za hlađenje. Ovo je posebno relevantno tamo gde je zgrade neophodno klimatizovati, a s druge strane niz industrija treba rashladnu energiju u nekoj od tehnologija. Takva jedna industrija je npr. proizvodnja čokolada i kandita. Naime, u ovoj industriji u procesu formiranja mešavine po određenom receptu nužna je toplotna energija, da bi u završnoj fazi pre pakovanja proizvoda, proizvode trebalo ohladiti, nakon što im je data odgovarajuća forma. Trigeneracijska postrojenja našla su svoju primenu naročito u toplijim zemljama gde su zime blage i kratke, a leta veoma topla pa je izražena potreba za rashlađivanjem stambenih i radnih prostora, a naročito ako je neophodno instalirati centralni sistem klimatizacije. Trigeneracijsko postrojenje poseduje pored gasne turbine za proizvodnju električne energije i parnog kotla na izduvne gasove (HRSG) i rashladni uređaj (hladnjak) za proizvodnju rashladne energije. Najjednostavniji i ekonomski najpovoljniji rashladni uređaj je apsorpciona rashladna mašina, koji za dobijanje rashladne energije koristi raspoloživu otpadnu toplotu - niskopritisnu paru iz kotla na izduvne gasove. Na slici 17.4-15. shematski je prikazan princip rada jednog trigeneracijskog postrojenja.

Slika 17.4-15. Shematski prikaz gasne turbine baziran na trigeneracionom postrojenju 458

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST Mada se hladjenje može osigurati i pomoću konvencionalne rashladne mašine na električnu energiju (kompresor pogonjen elektromotorom) u praksi se znatno više primenjuju apsorpcione rashladne mašine. Apsorpcione mašine se jednostavno integrišu u kogeneracijsko postrojenje, gde koriste otpadnu toplotnu energiju, čime se postiže: - smanjenje potrošnje sveukupne primarne energije, - direktna ušteda u potrošnji električne energije.

17.4.4. Evolucija paketne kogeneracije Tipičan modul, kapaciteta manjeg od 1 MW, je kompaktna zvučno izolovana mono-blok paketna jedinica, koja se sastoji od sledećih elemenata: - Motor za generisanje mehaničke energije, - Generator za proizvodnju električne energije, - Jedinica za proizvodnju toplotne energije, - Sistem automatske kontrole i upravljanja (električna zaštita i niskonaponski razdelnik), - Zvučna izolacija.

17.4.5. Kogeneracija i životna sredina Visoka efikasnost kogeneracije i efikasno korišćenje goriva garantuju značajno sniženje emisije CO2. Međutim, kogeneracija može imati okolnih implikacija u obliku emisija CO, SO2 i N0x u atmosferu. Količina svakog generisanog zagađivača uveliko zavisi o vrsti korišćenog goriva te karakteristika prihvaćene tehnologije kogeneracije. CO je otrovan gas, koji nastaje radi nepotpunog sagorevanja i može se sniziti na zanemarljive nivoe emisije, osiguravajući pouzdanu kontrolu odnosa vazduh gorivo. SO2 je kiselinski gas koji nastaje pri sagorevanju goriva koja sadrže sumpor, kao što su nafta ili ugalj. Njegovo emitovanje uzrokuje kisele kiše. Izduvni gasovi koji sadrže sumpor su glavni uzročnici korozije uređaja za iskorišćavanje toplotne energije izduvnih gasova, ako dođe do ohlađenja SO2 ispod temperature kondenzacije. NOx je mešavina azotnih oksida koji nastaju u toku sagorevanja goriva s vazduhom, a njihovo nastajanje je funkcija uslova sagorevanja, karakterisana koeficijentom viška vazduha, temperaturom sagorevanja i provedenog vremena u ložištu. Novije tehnologije su neprekidno podvrgnute razvojnim promenama, bazirane su na motorima i gasnim turbinama, ali sada koristeći prirodni gas kao gorivo. Prirodni gas se smatra najčistijim medju fosilnim gorivima, jer ne sadrži sumpor ni deliće prašine. Međutim, emisija NOx je veća, posebno za primarne pogonske motore koji rade na visokim temperaturama. Odgovarajuće projektovane komore sagorevanja i kontrola karakteristika plamena, pomažu redukciji nastajanja NOx i kod motora i kod turbina. Samo projektovanje motora ne može eliminisati stvaranje NOx, čak šta više, nastojanja da se smanji NOx mogu voditi povećanju emisija CO sa adverznim uplivom na snagu i efikasnost. Radi toga se moraju primenjivati tehnologije "kraj cevi", kao što su one bazirane na sistemima katalitičke redukcije, kako bi se osigurale veoma niske emisije.

459

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST

17.5. Pregled inovativnih tehnologija u proizvodnji električne energije 17.5.1. Postrojenja za sagorevanje u fluidizovanom sloju Tehnologiju sagorevanja u fluidizovanom sloju pod pritiskom i primenu termoenergetskim postrojenjima prvi je razvio, u poslednjih dvadeset godina ABB. Tehnologija se zasniva na sagorevanju uglja u fluidizovanom sloju pod pritiskom i primeni i gasne i parna turbine. Shematski prikaz jednog postrojenja zasnovanog na ovoj tehnologiji je prikazan na slici 17.5-1.

Slika 17.5-1. Shematski prikaz postrojenja sa fluidizovanim slojem pod pritiskom U postrojenju sa fluidizovanim slojem pod pritiskom kotao, cikloni ili keramički filteri i pripadajuća oprema su smešteni u posudu pod pritiskom. Ova posuda ima zapreminu koja je oko četiri puta manja od zapremine kotla sa sagorevanjem ugljene prašine istog kapaciteta. Ugalj sagoreva u sloju (koji se nalazi unutar posude pod pritiskom) na temperatura koje su znatno niže od temperatura u klasičnim kotlovima sa sagorevanjem ugljene prašine i iznese od 840-870°C i na pritiscima od 12 do 16 bara. Navedene temperature u sloju su praktično određene zahtevom da mineralni sastojci goriva ostanu u čvrstom stanju. Pored toga, na ovom nivou temperatura, formiranje azotnih oksida je znatno manje nego u kotlovima sa sagorevanjem ugljene prašine. Zajedno sa gorivom u fluidizovani sloj se dovodi i vapnenac ili dolomit kao sorbent za redukciju sumpornih oksida, tako da se u fluidizovanom sloju nalaze gorivo, sorbent i pepeo. Fluidizacija sloja se ostvaruje pomoću vazduha koji se prethodno sabija u dvostepenom kompresoru (sa 460

17. Kombinovana proizvodnja toplotne i električne energije u sistemima za CST međuhladnjakom, koji omogućava da temperatura vazduha na ulazu u fluidizovani sloj ne bude veća od 300°C) za odgovarajući pritisak. Fluidizovani sloj je "mehurast" a brzina vazduha potrebna za fluidizaciju iznosi 0,9 - 1,2 m/s. Visina fluidizovanog sloja je 3 - 4 m i može se regulisati u zavisnosti od opterećenja. U sloj su uronjene cevi isparivača u kojem se generiše para. Produkti sagorevanja koji nastaju u fluidizovanom sloju se, nakon prečišćavanja u ciklonima i/ili keramičkim filterima, vode u gasnu turbinu. Nakon ekspanzije u gasnoj turbini, produkti sagorevanja se vode u ekonomajzer, gde deo energije predaju kondenzatu i napojnoj vodi, a zatim prolaze kroz filter i odvede se u dimnjak. Para koja se generiše u fluidizovanom sloju se vodi u parnu turbinu. Ostali deo postrojenja predstavlja klasično termoenergetsko parno postrojenje. U jednom broju postrojenja se vrši i međupregrevanje pare, koje se vrši u prostoru iznad fluidizovanog sloja. Do sada je izgrađeno nekoliko postrojenja sa sagorevanjem u fluidizovanom sloju pod pritiskom, čiji su osnovni pokazatelji dati u tabeli 17.5-1. Tabela 17.5-1. Osnovni parametri postrojenja i goriva u postrojenjima u radu God. Naziv puštanja Snaga postrojenja u pogon

Tip

Värtan

1990

135 MWe / 224 MWth

Tidd

1990

70 MWe

1 x P200 Kondenzaciona

Escatron

1990

79,5 MWe

1 x P200 Kondezaciona

Wakamatsu

1993

71 MWe

1 x P200 Kondenzaciona

Cottbus

1999

71 MWe

1 x P200 Kogeneracija

Karita

1999

365 MWe

1 x P800 Kondenzaciona

2 x P200 Kogeneracija

Sadržaj Sadržaj Sadržaj Toplotna pepela u vlage u sumpora moć % % u% 22,4-29 MJ/kg DTM 23,3-28,5 MJ/kg GTM 8,5-19 MJ/kg GTM 24,2-29 MJ/kg GTM 19 MJ/kg DTM cca 26 MJ/kg DTM

8-21

6-15

0,1-0,5

12-20

5-15

3,4-4

23-47

14-20

2,9-9

2-18

8-26

0,3-1,2

5,5

8-30