Метод Карно

Метод Карно представляет собой процедуру распределения для разделения входного топлива ( первичной энергии , конечной энергии) в совместных производственных процессах, которые производят два или более энергетических продукта в одном процессе (например, когенерация или тригенерация). Он также подходит для распределения других потоков, таких как CO ₂ выбросы или переменные затраты. потенциал обеспечения физической работы ( эксергия В качестве ключа распределения используется ). Для тепла этот потенциал можно оценить по эффективности Карно . Таким образом, метод Карно является формой эксергетического метода распределения. В качестве основы для расчета используются средние температуры тепловой сети на выходе процесса. Преимущество метода Карно заключается в том, что для распределения входных данных по различным выходным потокам не требуются внешние опорные значения; необходимы только эндогенные параметры процесса. Таким образом, результаты распределения остаются независимыми от допущений или внешних эталонных значений, которые открыты для обсуждения.

Коэффициент распределения топлива

Доля топлива a _el , которая необходима для выработки объединенной электрической энергии W (работа) и a _th для тепловой энергии H (полезное тепло) соответственно, может быть рассчитана в соответствии с первым и вторым законами термодинамики следующим образом:

а _эль знак равно (1 · η _эль ) / (η _эль + η _c · η _й )

а _й знак равно (η _c · η _th ) / (η _эл + η _c · η _th )

Примечание: _эл + а _th = 1

с
a _el : коэффициент распределения электроэнергии, т.е. доля топлива, которая распределяется на производство электроэнергии.
a _th : коэффициент распределения тепловой энергии, т.е. доля потребляемого топлива, которая распределяется на производство тепла.

η _эл = W/Q _F
η _th = H/Q _F
В: электромонтажные работы
H: полезное тепло
Q _F : Общий расход тепла, топлива или первичной энергии.

и
η _c : коэффициент Карно 1-T _i /T _s (коэффициент Карно для электрической энергии равен 1)
T _i : более низкая температура, нижняя (окружающая среда)
T _s : верхняя температура, превосходное (полезное тепло)

В системах отопления хорошим приближением верхней температуры является среднее значение между прямым и обратным потоком на распределительной стороне теплообменника.
Т _s = (T _FF +T _RF )/2
или - если необходима большая термодинамическая точность - средняя логарифмическая температура. ^[1]используется
T _s = (T _FF -T _RF ) / ln(T _FF /T _RF )
Если подается технологический пар, который конденсируется и испаряется при одной и той же температуре, T _s — температура насыщенного пара данного давления .

Топливный коэффициент

Расход топлива или топливный коэффициент для электрической энергии f _F,el соотв. тепловая энергия f _F,th – это отношение удельных затрат к выходу.

f _F,el = a _el / η _el = 1 / (η _el + η _c · η _th )

f _F,th = a _th / η _th = η _c / (η _el + η _c · η _th )

Первичный энергетический фактор

Чтобы получить первичные энергетические факторы совместного производства тепла и электричества, необходимо учитывать энергетическую предцепочку.

f _PE,el = f _F,el · f _PE,F
f _PE,th = f _F,th · f _PE,F

с
f _PE,F : коэффициент первичной энергии используемого топлива.

Эффективная эффективность

Обратное значение топливного коэффициента (f-интенсивность) описывает эффективную эффективность предполагаемого подпроцесса, который в случае ТЭЦ отвечает только за выработку электрической или тепловой энергии. Этот эквивалентный КПД соответствует эффективному КПД «виртуального котла» или «виртуального генератора» на ТЭЦ.

η _{el, eff} = η _el / a _el = 1 / f _F,el
η _{th, eff} = η _th / a _th = 1 / f _F,th

с
η _{el, eff} : эффективная эффективность производства электроэнергии в процессе ТЭЦ.
η _{th, eff} : эффективная эффективность выработки тепла в процессе ТЭЦ.

Коэффициент эффективности преобразования энергии

Помимо коэффициента полезного действия, который описывает количество полезной конечной энергии, качество преобразования энергии в соответствии с законом энтропии важно также . С ростом эксергия снижается энтропии . Эксергия учитывает не только энергию, но и ее качество. Его можно считать продуктом того и другого. Поэтому любое преобразование энергии также следует оценивать по его эксергетической эффективности или коэффициентам потерь. Качество продукта «тепловая энергия» в основном определяется средним уровнем температуры, при котором это тепло подается. Следовательно, эксергетический КПД η _x описывает, какая часть потенциала топлива для выполнения физической работы остается в совместных энергетических продуктах. При когенерации результатом является следующее соотношение:

η _x,total = η _эл + η _c · η _th

Распределение по методу Карно всегда приводит к:
η _x,total = η _x,el = η _x,th

с
η _x,total = эксергетический КПД комбинированного процесса
η _x,el = эксергетический КПД виртуального процесса, использующего только электричество.
η _x,th = эксергетический КПД виртуального теплового процесса

Основной областью применения этого метода является когенерация, но его также можно применять и к другим процессам, производящим совместную продукцию, например, к холодильной машине, вырабатывающей холод и производящей отходящее тепло , которое можно использовать для низкотемпературного спроса на тепло, или к нефтеперерабатывающему заводу с другой жидкостью. топливо плюс тепло в качестве продукции.

Математический вывод

Предположим, что совместное производство осуществляется с входом I , первым выходом O ₁ и вторым выходом O ₂ . f — коэффициент для рейтинга соответствующего продукта в области первичной энергии, затрат на топливо, выбросов и т. д.

оценка входных данных = оценка выходных данных

ж _я · я знак равно ж ₁ · О ₁ + ж ₂ · О ₂

Коэффициент для входа f _i и количества I , O ₁ и O ₂ известны. уравнение с двумя неизвестными f ₁ и f ₂ Необходимо решить , что возможно при наличии большого количества адекватных кортежей. В качестве второго уравнения используется физическое преобразование продукта О ₁ в О ₂ и наоборот.

О ₁ = η ₂₁ · О ₂

η ₂₁ представляет собой коэффициент преобразования из O ₂ в O ₁ , обратное 1/η ₂₁ = η ₁₂ описывает обратное преобразование. Предполагается обратимая трансформация, чтобы не отдавать предпочтение ни одному из двух направлений. Таким образом, из-за взаимозаменяемости O ₁ и O ₂ оценка двух сторон приведенного выше уравнения с двумя факторами f ₁ и f ₂ должна привести к эквивалентному результату. Выход O _{2 ,} оцененный с помощью f _{2 ,} должен быть таким же, как количество O _{1 ,} полученное из O ₂ и оцененное с помощью f ₁ .

ж ₁ · (η ₂₁ · О ₂ ) знак равно ж ₂ · О ₂

Если мы поместим это в первое уравнение, мы увидим следующие шаги:

ж _я · я знак равно ж ₁ · О ₁ + ж ₁ · (η ₂₁ × О ₂ )

ж _я · я знак равно ж ₁ · (О ₁ + η ₂₁ · О ₂ )

ж _я = ж ₁ · (О ₁ /I + η ₂₁ · О ₂ /I)

ж _я знак равно ж ₁ · (η ₁ + η ₂₁ · η ₂ )

ж ₁ знак равно ж _я / (η ₁ + η ₂₁ · η ₂ )или соответственнож ₂ знак равно η ₂₁ · ж _я / (η ₁ + η ₂₁ · η ₂ )

с η ₁ = O ₁ /I и η ₂ = O ₂ /I

См. также

Ссылки

^ Терещенко Тимофей; Норд, Натаса (05 февраля 2015 г.), «Неопределенность коэффициентов распределения производства тепла и электроэнергии на электростанции комбинированного цикла», Applied Thermal Engineering , 76 , Амстердам: Elsevier: 410–422, doi : 10.1016/j.applthermaleng .2014.11.019 , hdl : 11250/2581526

Дальнейшее чтение

Марк Розен: Распределение выбросов углекислого газа от систем когенерации: описания избранных методов, основанных на результатах , Журнал чистого производства, том 16, выпуск 2, январь 2008 г., стр. 171–177.
Андрей Йенч: Метод Карно для распределения топлива и выбросов, EuroHeat&Power , Том 12 II, 2015, стр. 26-28.
Андрей Йенч: Новая концепция термодинамического качества, основанная на эксергии, и ее применение для оценки энергетических систем и анализа процессов , диссертация, Берлинский технический университет, 2010 г.
Ассоциация немецких инженеров: Директива VDI 4608, часть 2 , Энергетические системы. Комбинированное производство тепла и электроэнергии. Распределение и оценка, июль 2008 г.
EN 15316-4-5:2017 Энергетические характеристики зданий. Метод расчета энергетических потребностей системы и эффективности системы. Часть 4-5. Централизованное отопление и охлаждение.
Директива (ЕС) 2018/2001 о содействии использованию энергии из возобновляемых источников , 11 декабря 2018 г. Приложение V, C. Методика, b) и Приложение VI, B. Методика, d)

[1] Терещенко Тимофей; Норд, Натаса (05 февраля 2015 г.), «Неопределенность коэффициентов распределения производства тепла и электроэнергии на электростанции комбинированного цикла», Applied Thermal Engineering , 76 , Амстердам: Elsevier: 410–422, doi : 10.1016/j.applthermaleng .2014.11.019 , hdl : 11250/2581526

[1]