CC BY
169
уДК 662994 А. П. СТАРИКОВ
Н. С. КАСЬЯН
Омский государственный университет путей сообщения
ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ТЕПЛА И КОГЕНЕРАЦИЯ
В статье рассмотрены наиболее эффективные способы по использованию отходов тепла в энергетике, промышленности и на транспорте. Предлагается система по использованию тепла выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания, с возможностью применения на железнодорожном транспорте. Ключевые слова: когенерация, рекуперация, выхлопные газы, ДВС.
Введение. В связи с быстрым ростом экономики и нехваткой энергии в мире использование тепла от выхлопных газов приобрело большое значение в последние годы. Поскольку современные двигатели внутреннего сгорания имеют механическую эффективность лишь 30 — 40 % [1], то остальная энергия остается неиспользованной и рассеивается в форме отходов тепла через выхлопные газы и охлаждающие системы. К тому же высокая температура выхлопных газов приводит к серьезному загрязнению окружающей среды и изменению климата. Поэтому возникает потребность в преобразовании отслужившего тепла в полезную работу, с использованием системы утилизации тепла, которые не только позволяют получать энергию, но и экономить топливо.
Источниками отходов тепла могут служить:
— котлы на биомассе;
— турбины;
— парогенераторы;
— дымовые газы;
— избытки пара;
— газы > 149 °С, жидкости > 93 °С, пар > 93 °С.
Системы утилизации отходов тепла.
1. Рекуператоры. Рекуператор — это теплообменник поверхностного типа для использования теплоты отходящих газов, в котором теплообмен между дымовыми газами и воздухом осуществляется непрерывно через разделяющую их металлическую или керамическую стенку [2].
Наибольшее распространение получили кожухо-трубные теплообменники (рис. 1), которые состоят из пучков труб, укрепленных в трубных решетках и помещенных в цилиндр, сваренный из стальных листов. По внутренним трубкам протекают горячие выхлопные газы, а во внутреннее пространство
между стенками цилиндра и трубками подается воздух, который, проходя по внутреннему пространству, нагревается и поступает в камеру сгорания. Вместе с воздухом переносится дополнительная энергия, за счет которой требуется меньший объем топлива для сгорания. Экономия топлива позволяет также снизить расход воздуха на горение.
Потери через дымовую трубу снижаются не только за счет уменьшения температуры дымовых газов, но также путем выпуска меньшего их количества.
Для максимальной эффективности теплопередачи используются гибридный рекуператор, который сочетает в своей конструкции конвективный и радиационный теплообмены. Гибридный рекуператор более дорогой, чем обычный радиационный рекуператор, но зато менее громоздкий. Изображение гибридного рекуператора представлено на рис. 2.
2. Рекуперация в ДВС. Отходами тепла в ДВС являются выхлопные газы, которые выбрасываются в окружающую среду, унося с собой тепловую энергию.
Температура газов на выходе из двигателя состав-ляетпорядка 450 — 600 °С [1 ]. Можно было бы предпринять усилия в разработке более энергоэффективных двигателей, с лучшей теплопередачей и бо-
Рис.1.Радиационный рекуператор
Дымовые газы
Рис. 2.Гибридныйрекуператор
Рис. 3. Схема рекуперации тепла от выхлопных газов
лее низкои температурой выхлопных газов, однако согласно законам термодинамики температура выхлопных газов имеет ограничения по минимальному значению [3]. Поэтому имеет смысл не снижать температуру газов, а использовать их тепло. Этого можно добиться, используя систему, предложенную на рис. 3. Она основывается на принципе парового цикла [4], успешно применяемом на современных электростанциях, сочетающих принципы газовой турбины и циркуляции пара, благодаря чему они обладают значительно более высоким КПД.
Жидкая рабочая среда, находящаяся под давлением, с помощью питательного насоса поступает из бака-аккумулятора в теплообменник, который встроен в глушитель, где происходит ее нагрев. Рабочая среда испаряется и перегревается. Перегретый пар приводит в действие расширительную машину, которая вырабатывает электрический ток. Далее рабочая среда конденсируется в конденсаторе и перенаправляется в бак-аккумулятор. Система работает по замкнутому циклу.
Устройство управленияконтролвруетвесь вро-цесс относительно статических точек и также при динамической энциклической работе. Расширитель
является ключевым элементом его командной системы. Он преобразует энергию перегретого пара в полезный крутящий момент.
Система может использоваться в котельных, на железнодорожном транспорте, грузовых кораблях, в нефтяной и газовой промышленности, сталелитейной промышленности, при сжигании отходов, а также в других областях промышленности.
Кроме того, находит применение и в тяжелых машинах, таких как грузовики и автобусы, а также легковых автомобилях.
Цель этой системы на легковом автомобиле (рис. 4), такая же, как и в других, — вырабатывать электрический ток из энергии тепла и достигать еще более высокого КПД силового агрегата. Когда требуемый в салоне автомобиля электрический ток вырабатывается не генератором, а непосредственно из энергии отводимого тепла, возникают дополнительные возможности снижения расхода топлива. Еще один основополагающий фактор — это снижение вредных выбросов, при одновременном улучшении динамики и показателей мощности.
Данная система добавляет к массе автомобиля всего 10—15 кг и способна полностью обеспечить электроэнергией бортовые системы автомобиля при движении по загородным дорогам, а также снижает расход топлива на 10% при поездках на большие расстояния.
3. Использование отходов тепла в энергетике. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии (когенерация), как правило, рассматривается как наиболее привлекательная технология для производства энергии с экологической и экономической точек зрения.
При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии, большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Применение когенерации позволяет утилизировать бееьшую растх этоготехла и использовать для удовлетворения тепловых потребностей, что повышает эффективность с 30-50% до 80-90%.
174
Рис. 4. Схема системы на легковом автомобиле
Топливо Воздух —КЗ—¡450-630 °С
ГЛ
©-
Компрессор Газовая турбина 80 бар 430 °С
Л
Л
[Ъ
Л
и
/I
Дымовая труба 155 °С
Парогенератор с утилизацией тепла
Паровая турбина
-©
10 бар 203 °С
105 °С
-е
90 °С
ТсхнологическиСпроцесс
Рис.5. Структурнаясхемагазовой турбины с двойнымпарогенератором и паровой турбиной
Газовая турбина
Мех. энергия 4.0%
Парогенератор с утилизацией тепла
Тепло ух. газов в дым. fc 3.5% тРУбУ
Теплофикационные нужды
Рис. 6. Диаграмма Грассмана
Современные энергетические технологии предлагают много возможностей для реализации концепции когенерации по различным направлениям: от прямого сжигания в топках котла до многоуровневого каскадирования.
Существует множество различных схем для удовлетворения нужд технологических процессов и централизованного отопления [5], но, как показали исследования, наиболее эффективной является схема с применением газовой турбины с двойным парогенератором-утилизатором тепла и паровой про-тиводавленческой турбиной (рис. 5).
Такой цикл имеет наибольший коэффициент экономии топлива и один из самых низких относительных коэффициентов потребления топлива при различных уровнях полезного КПД в совокупности с наибольшей эксэргетической производительностью. Распределение потоков энергии для данной схемы представлено на рис. 6.
Таким образом, можно подвести итог, что использование отходов тепла в энергетике значительно повышает КПД всей системы, позволяет экономить топливо и получать дополнительную электрическую и тепловую энергию. Снижение воздействия дымовых газов на окружающую среду осуществляется путем снижения их температуры в 3-4 раза. Та же тенденция наблюдается и для систем, использующих тепло от выхлопных газов ДВС.
Библиографический список
1. Jadhao,J.S. Review on Exhaust Gas Heat Recovery for I.C. Engine / J. S. Jadhao, D. G. Thombare // International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT). — 2013. — Volume 2, Issue 12, June.
2. Kuppan, T. Heat Exchanger Design Handbook / Т. Kuppan. — New York : Marcel Dekker, 2000. — 1119 p.
3. Мазур, Л. С. Техническая термодинамика и теплотехника / Л. С. Мазур. — М. : ГЭОТАР-Медиа, Гэотар Медицина, 2003. — 352 с.
4. Voith. Market Division Rail. Product Survey. — Heidenheim, 2013. — 31 p.
5. Korobitsyn, M. A. New and Advanced Energy Conversion Technologies. Analysis of Cogeneration, Combined and Integrated Cycles / M. A. Korobitsyn. — Cover by Anja Astapova, Amsterdam, 1998. — 155 p.
СТАРИКОВ Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика».
КАСЬЯН Никита Сергеевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: Heatomgups@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.04.2014 г. © А. П. Стариков, Н. С. Касьян
