CC BY
148
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИГЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК [621.43:629.5] :621.59 ББК 39.455.5:31.365-04
В. А. Афанасьев, А. М. Цейтлин, П. Б. Поляков, Р. Ю. Гавлович
ОЦЕНКА КПД КРИОГЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА, ВХОДЯЩЕГО В СОСТАВ ГАЗИФИКАТОРА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
V. A. Afanasiev, А. М. Tseitlin, Р. В. Polyakov, R. Yu. Gavlovich
EVALUATION OF EFFICIENCY OF STIRLING CRYOGENIC ENGINE, INCLUDED IN THE EVAPORATOR OF LIQUEFIED NATURAL GAS OF THE SYSTEM GAS FLOW SUPPLY OF THE MARINE ENGINE
Рассчитан КПД криогенного двигателя Стирлинга в диапазоне значений температуры газификации азота, аргона и метана. Это позволило произвести оценку срока окупаемости газовой криогенной машины ГКМ 77/200 при её использовании в составе газификатора ГХ-0,5/16-045. Полученные данные необходимы при оценке экономической целесообразности установки криогенного двигателя Стирлинга в газификатор.
Ключевые слова: криогенный двигатель Стирлинга, коэффициент полезного действия, газификатор.
The efficiency of Stirling cryogenic engine in the range of temperatures of nitrogen, argon and methane gasification is calculated. This allowed an assessment of the payback period of the gas cryogenic machine GCM 77/200 while its use in the evaporator GX-0.5 GC/16-045. These data are necessary in assessing the economic feasibility of installing Stirling cryogenic engine into the evaporator.
Key words: Stirling cryogenic engine, efficiency, evaporator.
Известный термодинамический цикл Стирлинга был изобретен и реализован в одноименном газовом двигателе внешнего сгорания в 1816 г. [1]. Для его работы необходимы два источника тепла -высокотемпературный: сгорание любого вида топлива, солнечный, ядерный (Т = 500И 300 К) и окружающая среда (рис. 1). Известны преимущества двигателя Стирлинга перед традиционными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) - дизельными, бензиновыми: более высокий КПД, способность работать на топливе различных типов, высокая экологичность, бесшумность в работе [1].
Цикл Стирлинга может быть реализован и в области криогенных температур. Следовательно, возможно создание криогенных двигателей Стирлинга (КДС), что актуально в связи с широким использованием в энергетике природного газа. Во многих случаях природный газ транспортируется к потребителю в жидком состоянии и уже у потребителя газифицируется и используется в энергетической установке для производства тепла и электроэнергии. К числу потенциальных потребителей сжиженного природного газа относятся судовые двигатели рыбопромысловых судов. В настоящее время газификация осуществляется в специальных испарителях - газификаторах. Основным недостатком таких газификаторов является выброс в атмосферу высокопотенциальной энергии криогенной жидкости - электроэнергии, затраченной на производство криогенной жидкости (для сжиженного природного газа - в основном на его конденсацию). Однако если использовать в процессе газификации низкотемпературный цикл Стирлинга, реализованный в КДС, то энергия криогенной жидкости будет вновь преобразована в механическую или электрическую энергию. Это позволяет производить электроэнергию как для обслуживания газификатора, так и для выдачи стороннему потребителю. Публикаций по этому вопросу в научной литературе не обнаружено.
Нами проведены расчёты по оценке КПД КДС в диапазоне значений температуры газификации широко применяемых в промышленности криоагентов - азота, кислорода, аргона и метана. Рассмотрена возможность использования в качестве КДС газовых криогенных машин (ГКМ). Проведена ориентировочная оценка срока окупаемости комплектации конкретного, промышленного газификатора КДС.
В качестве независимых переменных в расчетах приняты температура криостатирования Ткр в диапазоне 77-5-111 К и минимальное давление в цикле РЫ1Ш в диапазоне 2(К80 атм. Расчетные исследования проводились по методике аналогичной для ГКМ [2]. Процессы в полостях сжатия и расширения принимаются изотермическими (модель Шмидта) с последующим расчетом потерь энергии на теплопритоки, неидеальность теплообмена и гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов [2].
В расчетных исследованиях в качестве криогенного двигателя была выбрана ГКМ 77/200 производства ООО НТК «Криогенная техника» (г. Омск), холодопроизводительностью 200 Вт при температуре криостатирования 77 К. Её работоспособность в режиме криогенного двигателя была подтверждена экспериментально.
Основные параметры ГКМ 77/200: диаметр компрессорного поршня Бк = 82 мм, ход компрессорного поршня £* = 22 мм, диаметр детандерного поршня Д? = 48 мм, ход детандерного поршня = 15,5 мм. Угол развала между кривошипами поршней 600. Оптимальное число оборотов вала 950 об/мин. Масса сетки регенератора 0,32 кг, высота регенератора 80 мм. Смазка подшипников качения - консистентная. В режиме криогенного двигателя детандерная полость ГКМ становится в КДС полостью сжатия при криогенной температуре, а теплая полость сжатия газа ГКМ - детандерной полостью при температуре окружающей среды. Вращение вала изменяется на противоположное. Рабочий газ - гелий. Схема подключения КДС к емкости газификатора приведена на рис. 1.
1
Электрогенератор на валу двигателя (вместо электродвигателя)
Рис. 1. Схема подключения КДС к емкости газификатора: 1 - теплоизолированная емкость с жидким криоагентом; 2 - КДС; 3 - испаритель д ля повышения давления в емкости 7; 4 — теплообменник-газификатор д ля передачи тепла сжатия рабочего газа - гелия КДС к жидкому криоагенту (например, СН4, Аг, 02); 5 - гильза цилиндра сжатия; 6- теплоизоляция с теплозащитным экраном, охлаждаемым парами газифицируемого криоагента;
7 - коллектор потребителя газа; 8 - электрогенератор; 9 - радиатор под вода тепла из окружающей среды
Подача жидкого криоагента из теплоизолированной емкости 1 (рис. 1) к КДС 2 осуществляется под давлением, создаваемым с помощью испарителя 3. Передача тепла сжатия рабочего газа гелия к кипящему жидкому криоагенту осуществляется в теплообменнике-газификаторе 4. Холодные пары криоагента направляются на снятие теплопритоков по гильзе цилиндра сжатия 5 и на охлаждение теплозащитного экрана 6. Далее газообразный криоагент направляется от коллектора 7 к потребителю. Вырабатываемая электроэнергия снимается с электрогенератора 8. Подвод тепла к цилиндру расширения КДС осуществляется из окружающей среды через радиатор 9.
Для оценки срока окупаемости комплектации газификатора КДС в качестве промышленного образца газификатора выбран ГХ-0,5/1,6-0,045 компании «Техгаз-ТК» (г. Екатеринбург).
Результаты расчетного исследования приведены на рис. 2—4. В расчетах, кроме потерь холода от неидеальности теплообменных процессов и гидравлических сопротивлений теплообменных аппаратов, учитывались потери на трение. Они принимались в пределах от 30 до 24 % от расчетной мощности цикла в зависимости от значения Рш.
Как и следовало ожидать, расширение температурных границ - увеличение температуры теплого источника тепла Тж (окружающей среды) и понижение температуры газификации Ггаз увеличивает КПД (г]кдс) КДС.
Лкдс
Рис. 2. Зависимость КПД г|кдс КДС от температуры газификации криоагента Тпз:
1 - температура окружающей среды Тж = 303 К; 2 - температура окружающей среды Тж = 323 К; 3 - температура окружающей среды Тос = 373 К; 1,2,3- при температуре теплого источника Тж (окружающей среды) 303,323, 373 К соответственно
Увеличение давления в КДС от 20 до 80 атм приводит к существенному увеличению производимой мощности (рис. 3). При этом КПД КДС (рис. 4) возрастает только на участке 20^-40 атм и остается неизменным при последующем повышении давления. Это объясняется тем, что при увеличении Рмин возрастают тепловые нагрузки на теплообменники подвода и отвода тепла. Но т. к. их поверхности теплообмена остаются неизменными, возрастают потери энергии при теплопередаче. Повышение давления в КДС приведет к увеличению толщины стенки холодного цилиндра сжатия и, соответственно, теплопритоков. Для КДС это некритично, т. к. они снимаются холодом образовавшихся паров газифицируемого криоагента. Получение данных по КПД (рис. 4) позволяет осуществлять подбор КДС по требуемой производительности газификатора. Так, для газификатора ГХ-0,5/1,6-0,045 с требуемой производительностью = 45 м3/ч подбор осуществляется в такой последовательности: определяется требуемый тепловой поток от КДС к криогенной жидкости при заданной ()кр = р г, где р - плотность жидкого криоагента; г - теплота парообразования криоагента. Вырабатываемая при этом мощность должна составить Ыкдс = — т]), где г] - КПД.
Минимальное давление в цикле Рим», атм Рис. 3. Зависимость вырабатываемой мощности от минимального давления в цикле
0,4
0,35
0,3
0,25
< И У
—
|| 0 2( ) 4 0 6( ) 80
Минимальное давление В цикле Рит, атм Рис. 4. Зависимость КПД от минимального давления в цикле
Общее количество энергии, производимое за период газификации всей содержащейся в емкости массы жидкого криоагента, составит Е = ЫКДС-х, где т - минимальное время газификации содержащейся в емкости газификатора массы (7 жидкого криоагента: т = (гг/Р^-р. Стоимость выработанной энергии составит Б = с ■ Е, где с - стоимость 1 кВт-ч электроэнергии. По вычисленным значениям <2Кр и можно рассчитать по разработанной нами методике конструктивные парамет-
ры КДС (диаметр и ход поршней, размеры теплообменных аппаратов). Затем можно приступать к проектированию и последующему изготовлению. Объем работ можно существенно сократить, если в качестве КДС использовать существующие ГКМ Стирлинга. При этом в качестве первого приближения при подборе соответствующей ГКМ можно воспользоваться формулой Огкм = = Ргаз'РШ1"Ъ /((1 - л)'(1 + е)Х гДе бгкм - холодопроизводительность ГКМ; 8 - холодильный коэффициент ГКМ при температуре газификации криогенной жидкости. Формула составлена из условия равенства для ГКМ и КДС тепловых потоков при теплообмене с окружающей средой. Для промышленного газификатора ГХ-0,5 /1,6-0,045 с требуемой г], производительностью = 45 м3/ч по метану, <2Кр = 4,56 кВт, (7 = 213 кг, т = 6,6 ч, при принятом значении г] = 0,34, Л/кдс = 2,35 кВт. Суммарное производство электроэнергии составит Е = 15,5 кВт-ч. При подборе ГКМ для использования в качестве КДС при принятых значениях г] = 0,34, 8 = 0,28 ориентировочно можно выбрать ГКМ с холодопроизводительностью Огкм =1,5 кВт при температуре криостатирования 111 К. На газификаторе вместо атмосферного испарителя в качестве КГС можно использовать модифицированную (по прочности) ГКМ 77/200 с рабочим давлением Рмин = 100 атм или ГКМ 81Мт-8 американской компании СгуоМесЬ. Срок окупаемости при использовании КДС зависит от стоимости КДС, частоты опорожнения емкости в течение месяца и стоимости электроэнергии. На рис. 5 приведена ориентировочная зависимость срока окупаемости КДС от его стоимости при частоте опорожнения емкости газификатора ГХ-0,5 /1,6-0,045 три раза в течение суток, стоимости электроэнергии 4 руб. за 1 кВт-ч, число рабочих дней в месяце - 22 сут.
и
(=£
Срок окупаемости, лег Рис. 5. Зависимость срока окупаемости КДС от его стоимости
В компоновке с газификатором, при необходимости, КДС можно использовать для пере-конденсации криоагента в емкости при длительном хранении.
В общем случае количество вырабатываемой энергии при газификации жидких криоагентов можно вычислять по формуле Е = rG-ri/(3600 (l - г|)), мощность Ыкдс =V^-p-r-r\l{\ - г]).
Основные показатели КДС (высокая эффективность, большой ресурс и высокая надежность в эксплуатации, существенное упрощение конструкции и невысокая стоимость) в ближайшее время могут быть достигнуты в результате использования линейного привода поршней и линейного электрогенератора, достижений в области применения акустики и термоакустики для сжатия и расширения газа, достижений в области магнитокалорики.
Выводы
1. В данной работе предложена и обоснована расчетными исследованиями идея существенного повышения эффективности работы газификаторов криогенных жидкостей путем преобразования высокопотенциальной энергии газифицируемой криогенной жидкости в электроэнергию. В качестве преобразователя энергии предложено использовать ГКМ Стирлинга, способную работать в режиме КДС.
2. Расчетными исследованиями выявлены зависимости КПД и мощности криогенного двигателя от температуры газификации криогенной жидкости и давления рабочего газа - гелия.
3. Увеличение давления в КДС от 20 до 80 атм приводит к существенному увеличению его мощности и, соответственно, производительности газификатора.
4. Мощность криогенного двигателя определяется требуемой производительностью газификатора. Суммарное производство электроэнергии (кВт-ч) зависит только от количества газифицируемой криогенной жидкости.
5. Расчетные исследования подтвердили перспективность использования КДС в комплектации газификаторов криогенной жидкости. Для внедрения данной разработки в промышленности необходимо экспериментальное подтверждение.
6. Научный и практический интерес представляют исследования криогенных двигателей с линейным приводом поршней, с акустическим и термоакустическим способами сжатия и расширения газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986. - 464 с.
2. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.
REFERENCES
1. Rider G., Khuper Ch. Dvigateli Stirlinga [Stirling engines]. Moscow, Mir Publ., 1986. 464 p.
2. Grezin A. K., Zinov'ev V. S. Mikrokriogennaia tekhnika [Microcryogenic equipment]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1987.232 p.
Статья поступила в редакцию 26.12.2012 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Афанасьев Валентин Александрович — Астраханский государственный технический университет;
канд. техн. наук, доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.org.
Afanasiev Valentin Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.org.
Цейтлин Александр Матвеевич — Астраханский государственный технический университет; канд.
техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.org.
Tseitiin Alexander Matveevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences;
Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.org.
Поляков Павел Борисович - ООО «Научно-технический комплекс «Криогенная техника», Омск;
старший научный сотрудник; kxm@astu.org.
Polyakov Pavel Borisovich - LLC Scientific and Technical Complex "Cryogenic Technique", Omsk; Senior Researcher; kxm@astu.org.
Гавпович Роман Юрьевич — Астраханский государственный технический университет; ассистент кафедры «Холодильные машины»; roman.gavlovich@mail.ru.
Gavlovich Roman Yurievich- Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Refrigerating Machines"; roman.gavlovich@mail.ru.
