CC BY
3
сжиженного газа СО2 в температурном диапазоне от 60°С до минус 56°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Выбор оптимального низкокипящего рабочего тела для системы охлаждения конденсаторов паровых турбин по физиологическим и экологическим показателям. // Инновационная наука. - 2016. - №2 4-3. - С. 4748.
2. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 19-21.
3. Гафуров А.М. Использование сбросной низкопотенциальной теплоты для повышения экономической эффективности ТЭС в зимний период времени. // Энергетика Татарстана. - 2014. - № 3-4 (35-36). - С. 69-76.
4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности термодинамического цикла при использовании углекислого газа СО2 и пропана С3Н8. // Инновационная наука. - 2015. - № 11-2. - С. 32-34.
Гафуров А.М. инженер
кафедра «Энергетическое машиностроение»
ФГБОУВО «КГЭУ» Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Россия, г. Казань ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В статье рассматривается способ утилизации тепловых отходов с помощью установок на низкокипящих рабочих телах. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела использовать сжиженный углекислый газ. Представлены результаты исследования теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2, обеспечивающего утилизацию тепловых отходов с температурой ниже 80°С.
Ключевые слова: утилизация тепловых отходов, органический цикл Ренкина, сжиженный углекислый газ.
USE OF THE LIQUEFIED CARBON DIOXIDE GAS AS A WORKING FLUID IN THE HEAT ENGINE FOR UTILIZATION OF THERMAL WASTE OF THE INDUSTRY
Gafurov A.M., Gatina R.Z., Gafurov N.M.
In article the way of utilization of thermal waste using installations on low-boiling working fluids. It is offered to use the liquefied carbon dioxide gas as the low-boiling working fluid. Results of research of the thermal engine with the closed circulation contour on СО2 providing utilization of thermal waste with a temperature below 80°C are provided.
Keywords: utilization of thermal waste, organic Rankine cycle, liquefied carbon dioxide gas.
Большинство зарубежных установок по выработке электроэнергии на основе органического цикла Ренкина (ОЦР) предназначены для утилизации низко - и среднепотенциальной теплоты на уровне 80-160°С, а также высокопотенциальной теплоты (160-400°С).
На сегодня известно несколько фирм, которые занимаются исследованием и серийным выпуском подобных установок. К ним можно отнести итальянскую Turboden srl, американскую Ormat Technologies Inc и Capstone Turbine Corporation, а также немецкую ADORATEC GmbH и GMK GmbH. Их основное направление - получение электроэнергии от геотермальных и солнечных источников тепловой энергии, использование вторичной тепловой энергии выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, микротурбинных систем и промышленных производств. При этом установленная электрическая мощность таких установок может достигать 200-70000 кВт [1].
Идея применения фреона в качестве рабочего тела паросиловой установки для выработки электроэнергии впервые была реализована в 1967 году в СССР на Паратунской опытно-промышленной геотермальной электростанции. В геотермальной энергетики принято считать, что нижняя температурная граница, при которой имеет смысл использования тепловой энергии, составляет 80°С.
Для промышленных предприятий наибольшую долю сбросной теплоты составляют тепловые отходы с температурой ниже 80°С, что затрудняет его использование. Это обстоятельство зачастую крайне неблагоприятно воздействует на окружающую среду, загрязняя ее и приводя к изменениям климата. Кроме того, стоимость выброшенной энергии, в конечном счете, закладывается в себестоимость продукции.
Предлагается способ утилизации тепловых отходов промышленных предприятий с температурой ниже 80°С с помощью теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном углекислом газе СО2 (рис. 1). Работа теплового двигателя осуществляется по ОЦР, который охлаждается воздушными ресурсами окружающий среды с температурой вплоть до минус 55°С [2].
Рисунок 1 - Принципиальная схема теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 для утилизации тепловых отходов.
Тепловой двигатель работает следующим образом: сжиженный газ СО2 сжимается в насосе, нагревается и испаряется в теплообменнике-испарителе за счет подводимой теплоты промышленных отходов с температурой ниже 80°С, далее перегретый газ СО2 расширяется в турбодетандере соединенный с электрогенератором, затем расширенный газ с влажностью до 12% направляется на охлаждение в теплообменник-конденсатор воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газа СО2 ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ направляется в насос и цикл повторяется [3].
Углекислый газ СО2 представляет собой негорючий естественный дешевый хладагент, который все шире используется в холодильных установках. Применение СО2 перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать различные технологические задачи. Обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы.
При этом кинематическая вязкость диоксида углерода (0,002178 см2/с) в тройной точке в восемь раз ниже вязкости воды (0,0179 см2/с). Жидкая углекислота обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, небольшие гидравлические потери при транспортировке по трубопроводам, исключительную компактность систем, возможность использовать медные
трубопроводы [4].
Предлагаемый способ утилизации тепловых отходов обеспечивает дополнительную выработку электроэнергии при минимально допустимых температурных перепадах (разницах температур) между источником сбросной теплоты и окружающей среды равной в 39°С. При этом для выработки 1 кВт полезной электрической мощности с помощью теплового двигателя на СО2 необходимо утилизировать в среднем около 160 кВт тепловой энергии.
К примеру, в табл. 1 приведены эксергетические КПД различных технических систем.
Таблица 1
Наименование Эксергетический КПД, %
Конденсационная электростанция 39-42
Парокомпрессионная холодильная установка 30-35
Абсорбционная водоаммиачная холодильная установка 12-15
Парокомпрессионный тепловой насос 35-40
Исследуемый тепловой двигатель на СО2 < 20
Большинство развитых стран стремится к наиболее глубокой утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты, в то время как в России слабо востребован потенциал и возможности утилизации промышленных отходов в низкокипящих контурах.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Потенциал для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в работу теплового двигателя // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2014. №3 (23). - С. 19-24.
2. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы утилизации тепловых отходов на тепловых электрических станциях в зимний период. // Инновационная наука. - 2015. - № 10-1. - С. 53-55.
3. Гафуров А.М. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №4 (28). - С. 28-32.
4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 19-21.
