Metodo di Carnot - Carnot method

Il metodo Carnot è una procedura di allocazione per la suddivisione dell'input di combustibile ( energia primaria , energia finale) in processi di produzione congiunti che generano due o più prodotti energetici in un processo (ad esempio cogenerazione o trigenerazione). È adatto anche per allocare altri flussi come emissioni di CO 2 o costi variabili. Il potenziale per fornire lavoro fisico ( exergia ) viene utilizzato come chiave di distribuzione. Per il calore questo potenziale può essere valutato l' efficienza di Carnot . Pertanto, il metodo Carnot è una forma di un metodo di allocazione exergetic. Usa le temperature medie della griglia di riscaldamento all'uscita del processo come base di calcolo. Il vantaggio del metodo Carnot è che non sono richiesti valori di riferimento esterni per allocare l'input ai diversi flussi di output; sono necessari solo parametri di processo endogeni. Pertanto, i risultati dell'allocazione rimangono privi di ipotesi o valori di riferimento esterni che sono aperti alla discussione.

Fattore di allocazione del carburante

La quota del combustibile a el che è necessaria per generare rispettivamente l'energia elettrica prodotta dal prodotto W (lavoro) e una th per l'energia termica H (calore utile), può essere calcolata in base alla prima e alla seconda legge della termodinamica come segue:

a el = (1 · η el ) / (η el + η c · η th )

a th = (η c · η th ) / (η el + η c · η th )

Nota: a el + a th = 1

con
un el : fattore di allocazione per l'energia elettrica, ovvero la quota del combustibile in ingresso che è assegnata alla produzione di elettricità
a th : fattore di allocazione per l'energia termica, ovvero la quota del combustibile in ingresso che è destinato alla produzione di calore

η el = W / Q F
η th = H / Q F
W: lavoro elettrico
H: calore utile
Q F : calore totale, combustibile o energia primaria immessa

e
η c : fattore di Carnot 1-T i / T s (fattore di Carnot per l'energia elettrica è 1)
T i : temperatura inferiore, inferiore (ambiente)
T s : temperatura superiore, superiore (calore utile)

Negli impianti di riscaldamento, una buona approssimazione della temperatura massima è la media tra mandata e ritorno sul lato distribuzione dello scambiatore di calore.
T s = (T FF + T RF ) / 2
o - se è necessaria una maggiore precisione termodinamica - viene utilizzata la temperatura media logaritmica
T s = (T FF -T RF ) / ln (T FF / T RF )
Se il vapore di processo è erogato che condensa ed evapora alla stessa temperatura, T s è la temperatura del vapore saturo ad una data pressione .

Fattore di carburante

L'intensità del carburante o il fattore di carburante per l'energia elettrica f F, el risp. energia termica f F, th è la relazione tra input specifico e output.

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 )

Fattore di energia primaria

Per ottenere i fattori di energia primaria del calore e dell'elettricità cogenerati, è necessario considerare la precatena energetica.

f PE, el = f F, el · f PE, F
f PE, th = f F, th · f PE, F

con
f PE, F : fattore di energia primaria del combustibile utilizzato

Efficienza efficace

Il valore reciproco del fattore carburante (intensità f) descrive l'efficienza effettiva del sottoprocesso ipotizzato, che in caso di cogenerazione è responsabile solo della generazione di energia elettrica o termica. Questa efficienza equivalente corrisponde all'efficienza effettiva di una "caldaia virtuale" o di un "generatore virtuale" all'interno dell'impianto CHP.

η el, eff = η el / a el = 1 / f F, el
η th, eff = η th / a th = 1 / f F, th

con
η el, eff : efficienza effettiva della generazione di elettricità all'interno del processo di cogenerazione
η th, eff : efficienza effettiva della generazione di calore all'interno del processo CHP

Fattore di prestazione della conversione energetica

Accanto al fattore di efficienza che descrive la quantità di energie finali utilizzabili, è importante anche la qualità della trasformazione dell'energia secondo la legge dell'entropia . Con l'aumento dell'entropia , l' exergia diminuisce. Exergy non considera solo l'energia ma anche la qualità energetica. Può essere considerato un prodotto di entrambi. Pertanto qualsiasi trasformazione energetica dovrebbe essere valutata anche in base alla sua efficienza exergetica o ai rapporti di perdita. La qualità del prodotto "energia termica" è determinata fondamentalmente dal livello di temperatura media alla quale viene erogato questo calore. Quindi, l'efficienza exergetica η x descrive quanto del potenziale del carburante per generare lavoro fisico rimane nei prodotti energetici congiunti. Con la cogenerazione il risultato è la seguente relazione:

η x, total = η el + η c · η th

L'allocazione con il metodo di Carnot risulta sempre in:
η x, total = η x, el = η x, th

con
η x, total = efficienza esergetica del processo combinato
η x, el = efficienza exergetic del processo di solo elettricità virtuale
η x, th = efficienza exergetic del processo di solo calore virtuale

L'area di applicazione principale di questo metodo è la cogenerazione, ma può essere applicata anche ad altri processi che generano prodotti congiunti, come un refrigeratore che genera freddo e produce calore di scarto che potrebbe essere utilizzato per la richiesta di calore a bassa temperatura, o una raffineria con liquido diverso combustibili più calore in uscita.

Derivazione matematica

Supponiamo una produzione congiunta con Input I e una prima uscita O 1 e una seconda uscita O 2 . f è un fattore per classificare il prodotto in questione nel dominio dell'energia primaria, dei costi del carburante o delle emissioni, ecc.

valutazione dell'input = valutazione dell'output

f io · io = f 1 · O 1 + f 2 · O 2

Il fattore per l'ingresso f i e le quantità di I , O 1 e O 2 sono noti. Deve essere risolta un'equazione con due incognite f 1 e f 2 , il che è possibile con molte tuple adeguate. Come seconda equazione, viene utilizzata la trasformazione fisica del prodotto O 1 in O 2 e viceversa.

O 1 = η 21 · O 2

η 21 è il fattore di trasformazione da O 2 a O 1 , l'inverso 1 / η 21 = η 12 descrive la trasformazione all'indietro. Si ipotizza una trasformazione reversibile, per non favorire nessuna delle due direzioni. A causa della scambiabilità di O 1 e O 2 , la valutazione dei due lati dell'equazione di cui sopra con i due fattori f 1 e f 2 dovrebbe quindi risultare in un risultato equivalente. L'output O 2 valutato con f 2 deve essere uguale alla quantità di O 1 generato da O 2 e valutato con f 1 .

f 1 · (η 21 · O 2 ) = f 2 · O 2

Se lo inseriamo nella prima equazione, vediamo i seguenti passaggi:

f i · I = f 1 · O 1 + f 1 · (η 21 × O 2 )

f i · I = f 1 · (O 1 + η 21 · O 2 )

f io = f 1 · (O 1 / I + η 21 · O 2 / I)

f i = f 1 · (η 1 + η 21 · η 2 )

f 1 = f i / (η 1 + η 21 · η 2 ) o rispettivamente f 2 = η 21 · f i / (η 1 + η 21 · η 2 )

con η 1 = O 1 / I e η 2 = O 2 / I

Guarda anche

Riferimenti

  1. ^ Tereshchenko, Tymofii; Nord, Natasa (2015-02-05), "Incertezza dei fattori di allocazione della produzione di calore ed elettricità di una centrale elettrica a ciclo combinato", Applied Thermal Engineering , Amsterdam: Elsevier, 76 : 410–422, doi : 10.1016 / j.applthermaleng .2014.11.019 , hdl : 11250/2581526

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