Для теплогенератора, працюючого з використанням теплоти згорання викопного палива, повний ланцюг енергетичних перетворень може бути умовно представлений схемою на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 - Схема енергоперетворень у теплогенераторі
Відповідно до даного рисунка маємо, що підведений в теплогенераторі потік ексергії викопного палива перетвориться в тепловий потік , передаваний споживачеві з відповідним матеріальним потоком. При подібному перетворенні мають місце деструкція і втрати ексергії, визначувані величиною . Ексергетична ефективність теплогенерації виражається через коефіцієнт використання первинної енергії, КПЕ, який записується у вигляді
. (3.1)
На рисунку 3.2 наведена еквівалентна схема енергетичних перетворень для системи теплонасосного вироблення теплоти з використанням електроенергії для привода компресора і насосів.
Рисунок 3.2 - Схема енергоперетворень для теплонасосної установки
Для теплонасосної термотрансформації утилізованого потоку теплоти в потік теплоти , який використовується споживачем, необхідно підвести електричну потужність для привода компресорного і насосного устаткування теплонасосної установки (ТНУ). У свою чергу, для забезпечення вказаної потужності необхідна її генерація, наприклад, на теплоелектростанції (ТЕС) за рахунок підведення відповідного потоку ексергії викопного палива . Даний ланцюг енергетичних перетворень також супроводжується деструкцією і втратами ексергії: на ТЕС в кількості , в лінії електропередачі - , в ТНУ - . Необхідно відзначити, що розглянута схема відповідає ТНУ з тепловим насосом парокомпресійного типу.
Коефіцієнт використання первинної енергії для даної схеми набуває вигляду
. (3.2)
Умова переваги ТНУ перед теплогенератором за споживанням первинного палива
. (3.3)
З урахуванням (3.1) і (3.2) для еквівалентного теплового навантаження :
. (3.4)
При використанні коефіцієнта перетворення, що зв'язує теплове навантаження і споживану потужність , отримуємо два вирази для :
, (3.5а)
. (3.5б)
Виконанню умови зниження потоку ексергії палива при теплонасосній технології (3.3) відповідає
. (3.6)
Звідси отримуємо умову за мінімально допустимою величиною коефіцієнта перетворення ТНУ:
. (3.7)
Середні значення , і, отже, повинен бути більше 2,8-3,0.
Використовуючи рівняння для , можна отримати залежності для визначення економії кількості палива при заміні теплогенератора на теплонасосну установку.
Для твердого і рідкого палива
, кг/с. (3.8)
Для газоподібного палива
, м3/с. (3.9)
Для виконання фінансової оцінки економії паливних енергоресурсів доцільно ввести питомі показники:
, (3.10а)
. (3.10б)
При використанні рівнянь (3.8 і 3.9) можна записати
, (3.11а)
. (3.11б)
Розмірність величин і залежить від розмірності теплоти згорання і і для розрахунків може бути перетворена шляхом введення коефіцієнтів, що погоджують розмірності. Так, наприклад, при використанні позасистемної одиниці теплоти – гігакалорії - і розмірності для теплоти згорання , МДж/кг, а , МДж/м3 отримаємо
, т/Гкал, (3.11в)
, м3/Гкал. (3.11г)
Фінансова оцінка економії паливних енергоресурсів може бути виконана за рівнянням
, (3.12)
де – розрахункове число годин роботи зіставлюваних систем теплопостачання;
– ціна одиниці маси або об'єму енергоресурсу.
На рисунках 3.3 і 3.4 наведені розрахункові значення питомої економії енергоресурсів на теплонасосну установку з коефіцієнтом перетворення ?.
Рисунок 3.3 - Питома економія твердого і рідкого палива при застосуванні ТНУ:
Рисунок 3.4 - Питома економія газоподібного палива при застосуванні ТНУ:
Як випливає із графіків на рисунках 3.3 і 3.4, доцільність заміни теплогенераторів на теплонасосні системи істотно зростає із збільшенням коефіцієнта перетворення ?, і особливо якщо використовується малокалорійне паливо, наприклад, гази металургійного і нафтового виробництва.
Фінансова оцінка за рівнянням (3.12) дозволяє зіставляти різні види паливних енергоресурсів, але ранжування між ними стосовно теплонасосного варіанта змінюється відповідно до цін, сформованих ринком.
У таблиці 3.1 наведені розрахункові значення вартості питомої економії викопного палива при застосуванні теплонасосної технології.
Таблиця 3.1
Вид
палива
Зниження затрат на енергоресурси , грн/Гкал при коефіцієнті перетворення ТНУ
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Природний газ
(стандарт)
6,28
21,54
33,0
41,9
49,0
54,8
Дрова
5,22
18,07
27,7
35,17
41,17
45,02
Вугілля донецьке
марки D
8,47
29,2
44,7
56,8
66,5
74,2
Мазут високозернистий
26,8
93,6
143,2
182,0
213,2
238,4
При розрахунку в таблиці 3.1 використані такі ціни енергоресурсів: природний газ – 0,8 грн/м3; дрова – 250 грн/т; вугілля – 700 грн/т; мазут 4000 грн/т.
Результати розрахунку в даній таблиці показують, що найкращі економічні результати при застосуванні теплонасосної техніки можна отримати для реконструкції систем теплогенерації з використанням рідкого палива.