CC BY
101
УДК 66.681
В. В. Гетман, Н. В. Лежнева ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВОЙ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
Ключевые слова: газовая теплонасосная установка, температура мокрого термометра.
Приведена схема газовой теплонасосной установки, предназначенной для утилизации сбросного тепла от энергетических установок с впрыском воды в газовый тракт. Представлена математическая модель расчета узла испарительного охлаждения отходящих газов. Установлено влияние впрыска воды на работу всей системы и отдельных ее элементов.
Keywords: gas heat pump installation, temperature of the wet thermometer.
The scheme gas heat pump installation intended for recycling of waste heat from power installations with injection of water in a gas path is resulted. The mathematical model of calculation of knot is presented evaporate-telnogo coolings of departing gases. Influence of injection of water on work of all system and its separate elements is established.
Анализ основных энергосберегающих мероприятий показал, что утилизация сбросного тепла промышленных предприятий с помощью теплонасосных установок (ТНУ) может стать одним из наиболее перспективных методов.
Рабочим веществом газовых ТНУ могут служить отходящие дымовые газы от энергетических установок. В зависимости от основных параметров газовых потоков, в числе которых температура и расход уходящих газов, коэффициент избытка воздуха и т. д. определяются места возможного присоединения ТНУ к энергоблоку, конструктивные особенности установки, оптимальные параметры основных устройств, входящих в состав ТНУ и т. д.
На рис. 1 представлена газовая теплонасосная установка, предназначенная для утилизации теплоты отходящих газов, реализующая открытый цикл Брайтона [1].
Принцип действия предлагаемой ГТНУ заключается в том, что в газотурбинном блоке
1, состоящем из компрессора К, камеры сгорания КС и турбины Т, работающей на одном валу с компрессором, в результате сжигания жидкого топлива или природного газа образуется газовая смесь (дымовые газы).
Полученная газовая смесь поступает на вход ГТНУ, включающей в себя контактный воздухоохладитель ВО, осевой компрессор Кп, рекуперативный теплообменник ТА и турбину Тр.
Контактный воздухоохладитель представляет собой смесительную камеру с одним, или несколькими рядами форсунок, с помощью которых происходит распыление охлаждающей жидкости. В результате взаимодействия воды и горячих газов последние охлаждаются при одновременном увлажнении и на выходе теплообменного аппарата образуется парогазовая смесь.
С выхода воздухоохладителя полученная парогазовая смесь подается в компрессор Кп, где сжимается с повышением давления и температуры до состояния tK и Рк, а затем - в контактный рекуперативный теплообменный аппарат ТА, в котором охлаждается, нагревая встречный поток до температуры, необходимой для технологических нужд.
Конструкция теплообменника подбирается таким образом, чтобы температура рабочего тела на выходе была ниже температуры насыщения водяных паров, входящих в состав дымовых газов. В этом случае процесс охлаждения газа будет сопровождаться конденсацией водяных паров и выделением дополнительного количества теплоты. Таким образом, в результате процесса конденсации компенсируется часть тепла, затраченная в воздухоохладителе на испарение охлаждающей жидкости.
С выхода рекуператора осушенный и охлажденный газ с температурой ^ и с повышенным давлением Рк поступает в турбину Т, где, расширяясь, совершает работу.
Рис. 1 - Схема газовой теплонасосной установки, реализующей открытый цикл Брайтона
Теоретические расчеты позволили определить основные закономерности изменения рабочих параметров системы, влияние этих параметров на эффективность работы отдельных элементов и всей установки в целом, а также найти наилучшие режимы работы каждого узла и всей газовой ТНУ.
В качестве основного параметра, позволяющего охарактеризовать работу всей установки, был принят коэффициент преобразования кп, позволяющий оценить эффективность работы ГТНУ:
к _ .О
п N ,
где О - количество теплоты, отведенное от парогазовой смеси в теплообменном аппарате;
N - мощность, затраченная на сжатие парогазовой смеси в компрессоре.
С учетом работы турбины, возвращающей часть затраченных мощностей на привод компрессора, коэффициент преобразования запишется в виде:
кп _■
О
N - N
Разработанная на основе математической модели методика расчета [2] позволила определить основные энергетические параметры отдельно для каждого элемента системы утилизации и для всей ТНУ в целом. На рис. 2 показана зависимость коэффициента преобразования рассматриваемой системы утилизации от влагосодержания парогазовой смеси. Как видно из графика, с увеличением количества впрыскиваемой жидкости в газовый поток, эффективность работы установки возрастает. Следовательно, для обеспечения конкурентоспособности предложенной системы утилизации, необходимо в воздухоохладителе получить паровоздушную смесь, близкую к состоянию насыщения.
12 10
8
= 6
4
2
0
0 0.08 0.16 0.24 0.32
б
Рис. 2 - Зависимость коэффициента преобразования от влагосодержания парогазовой смеси d при различных степенях сжатия в компрессоре п
Метод испарительного охлаждения, применяющийся во многих областях промышленности, в том числе в металлургии, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой промышленности и т. д. позволяет улучшить технико - экономические показатели энергетических установок и повысить их эксплуатационную надежность.
В компрессорных установках искусственное охлаждение применяется для обеспечения безопасности работы и безаварийности, а также с целью удлинения срока службы компрессорных установок. Кроме того, благодаря охлаждению, повышается экономичность за счет более полного использования рабочих объемов машины.
Многочисленные испытания [3] испытания показали, что компрессор с впрыском воды имеет большую величину напора и более плавное его изменение в зависимости от расхода воздуха, чем без впрыска. Кроме того, благодаря впрыску имеет место снижение температуры в конце сжатия, близкое к теоретическому, и уменьшение энергетических затрат на сжатие влажного газа.
Испарительное охлаждение воздуха осуществляется с помощью форсуночных воздухоохладителей, представляющих собой камеры со смонтированными в один или два ряда форсунками, посредством которых осуществляется впрыск воды в камеру. Воздух, пройдя через спектр распыленной воды, охлаждается. Испарение воды в потоке воздуха должно быть полным: воздух, поступающий в компрессор, двигатель, или другое устройство, должен содержать влагу только в парообразном состоянии и поскольку газовая постоянная водяного пара больше газовой постоянной сухого газа, то существует предельно допустимый расход воды на испарительное охлаждение воздуха. Подача воды сверх допустимого предела ведет к увеличению удельной работы сжатия и ухудшению экономических показателей всей установки. Кроме того, неиспарившаяся влага или компрессорный конденсат может оказать отрицательное влияние на режим смазки и износ деталей.
Количество водяного пара во влажном воздухе изменяется от нуля (сухой воздух) до некоторого максимального значения, которое зависит от температуры и барометрического давления [4]. Термодинамические свойства сухого воздуха и водяного пара различны, поэтому свойства влажного воздуха зависят от его количественного состава.
Энтальпия влажного газа:
!вл.г = I + й' I
2 (2 2, \ - 2 -
|(Срг + а • Срп р1 + а • г = | СВл.г а1 + а • г 1 1
!вл.г = IСрга1 + а IСрпа1 +г
1
1
В этих выражениях 1вл.г, 1г, 1п - энтальпия влажного газа, сухого газа и водяного пара соответственно; Свлг, Срг, Срп - удельная теплоемкость влажного газа, сухого газа и вдяного
пара соответственно; а - влагосодержание потока; г - удельная теплота парообразования.
При непосредственном контакте горячего газа и распыленных капель воды последовательно протекают два процесса: нагрев воды до температуры насыщения и ее испарение. Для большинства случаев взаимодействия воды и газа справедливо выражение II = 12, т. е. энтальпия потока остается практически неизменной.
Состояние динамического равновесия между водой и воздухом характеризуется температурой 1м, называемой температурой мокрого термометра [5]. При этой температуре количество теплоты, передаваемое от воздуха воде при его охлаждении от начальной температуры 11 до равновесной 1м равно количеству тепла, переносимого в поток газа испарившейся частью жидкости.
Для определения температуры 1м и соответствующего ей влагосодержания ам используется метод последовательных приближений. Для этого задается величина 1м из всего возможного диапазона значений. В соответствии с этим значением определяются остальные недостающие параметры потока. Парциальное давление пара, соответствующее температуре V определяется по формуле Фильнея:
№м = 8(12,м9+3156 Рм = 133.32.10|дрм
1м + 236
Абсолютное влагосодержание газа в этом случае составляет:
а = *г рм
ам = ^-‘
^ Р1 _ рм
Здесь Кг, Кп - универсальные газовые постоянные сухого газа и водяного пара; Р1 -давление потока на входе воздухоохладителя.
Энтальпия газа определяется подстановкой полученных значений в выражение:
|м = Срг1м + (г + Срп1м )ам
Расчет повторяется до тех пор, пока не выполнится условие: 1м = 11.
Таким образом, в контактном воздухоохладителе горячий газ с температурой 11, парциальным давлением паров Рп1 и влагосодержанием й1 смешивается с распыленной жидкостью с температурой 1ж и энтальпией 1ж. В результате полного парообразования воды влажный воздух характеризуется температурой 12, парциальным давлением паров Рп2 и влагосодержанием а2 [6]. Если количество впрыснутой жидкости таково, что полученная паровоздушная смесь не соответствует состоянию насыщения, то температура потока на выходе будет отличаться от температуры мокрого термометра. В этом случае она будет определяться по формуле:
1 = (Срг + Српа1)11 ~ г(а2 ~ а1) + Срж1 ж
2 Срг + Српа2
Влияние испарительного охлаждения на работу компрессора в первую очередь сказывается на температуре сжимаемого газа, которая заметно понижается с увеличением впрыска. С увеличением доли испарившейся жидкости плотность влажного воздуха (газа) уменьшается
тем больше, чем больше возрастает Юсм [8]:
О = О + ^2Оп
см 1 + с12
Следовательно, увеличение Юсм приводит к уменьшению массовой подачи компрессора и к увеличению потенциальной работы сжатия:
= ПЦ Осм ( 12 ) = Осм*2 (Пк^ ^
Однако при определенных условиях темп снижения температуры смеси выше темпа увеличения газовой постоянной, поэтому плотность влажного газа увеличивается, а снижение температуры смеси создает благоприятные условия для уменьшения работы сжатия.
Рис. 3 - Зависимость удельной работы сжатия парогазовой смеси 1_пс и сухого газа 1_псг от температуры
Рис. 4 - Зависимость удельной работы сжатия парогазовой смеси 1_пс и сухого газа 1_псг от степени сжатия в компрессоре
Как видно из графиков (рис. 3,4), работа сжатия сухого газа всегда меньше работы сжатия влажного газа при одинаковой температуре газа на входе в компрессор, кроме того, расход парогазовой смеси значительно возрастает при увеличении доли пара в составе потока. Тем не менее, с ростом влагосодержания парогазовой смеси мощность Ык уменьшается вследствие уменьшения температуры рабочего тела на входе в компрессор.
Литература
1. Гуреев, В. М. Дис. ... канд. техн. наук/ В.М. Гуреев. - Казань, 1993.
2. Гетман, В.В. Дис. ... канд. техн. наук/ В.В. Гетман. - Казань, 2001.
3. Воропай, П.И. Испарительное охлаждение - эффективный способ повышения экономичности и
надежности компрессорных машин и тепловых двигателей в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / П.И. Воропай, У.Р. Давид, А.А.Шленов. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1997.
4. Дьяконов, С.Г. Определение эффективности контактных устройств на основе гидродинамической аналогии / С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Д.В. Елизаров, С.А. Мерзляков // Вестник Казан. технол. унта. - 2009. - №3. ч. 1. - С. 57-64.
5. Андреев, Е. И. Расчет тепло - и массообмена в контактных аппаратах / Е.И. Андреев. - Л.: Энерго-атомиздат. Ленингр. отдел., 1985. - 192 с.
6. Юдаев Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача: учеб. для неэнергет. спец. втузов /
Б.Н. Юдаев. - М.: Высш. школа, 1988.
© В. В. Гетман - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств КНИТУ, [email protected]; Н. В. Лежнева - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств КНИТУ, [email protected].
