ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЁМ ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОНТУРА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.59 Б01: 10.18287/2541-7533-2021-20-4-79-88

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЁМ ПОДБОРА ОПТИМАЛЬНОГО

РАБОЧЕГО ТЕЛА ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОНТУРА

© 2021

И. А. Елисеев студент магистратуры Института двигателей и энергетических установок; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; vanchel20@gmail.com

В. В. Точёнов студент магистратуры Института двигателей и энергетических установок; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; vladtochenov@gmail.com

Р. А. Паньшин аспирант кафедры теплотехники и тепловых двигателей;

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; panshinroman2016@yandex.ru

Рассматривается один из способов повышения эффективности низкотемпературных энергетических установок. Актуальным вариантом увеличения мощности является подбор рабочего вещества для вспомогательного низкотемпературного энергетического контура. Низкотемпературный потенциал криогенных веществ используется для повышения эффективности энергетических систем. При работе были использованы вспомогательные энергетические установки, работающие по циклу Ренкина и Брайтона, так как эти циклы являются наиболее эффективными при работе в вспомогательных низкотемпературных энергетических установках. Для вспомогательной энергетической установки, работающей по циклу Ренкина, были выбраны следующие низкотемпературные криогенные вещества: аргон, дифторхлорметан, трифторхлорметан, этилен, тетрафторэтан, тетрафторметан, этан. Для вспомогательной энергетической установки, работающей по циклу Брайтона, были выбраны следующие низкотемпературные криогенные вещества: этилен, трифторхлорметан, тетрафторметан. По результатам расчётов, а также по результатам анализа зависимостей мощности от степени повышения давления приведены несколько криогенных веществ, которые показывают наилучшие показатели среди рассмотренных рабочих тел.

Криогенная энергетическая установка; рабочее тело

Цитирование: Елисеев И.А., Точёнов В.В., Паньшин Р.А. Повышение эффективности низкотемпературных энергетических установок путём подбора оптимального рабочего тела вспомогательного контура // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2021. Т. 20, № 4. С. 79-88. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-4-79-88

Введение

В настоящее время происходит значительное увеличение объёмов производства энергетических комплексов различного назначения, где используется низкопотенциальная энергия криогенных веществ. Это объясняется удобством их хранения, улучшением экологических характеристик и увеличением ресурса работы техники. Для того, чтобы получить криопродукт, затрачивается энергия, которая может частично возвращаться в процессе его регазификации. Одним из вариантов такого возврата является применение энергетических установок, которые работают по циклам Ренкина или Брайтона. Сжиженный природный газ (СПГ) используется в различных областях, таких как промышленность, транспорт и сельское хозяйство. Зарубежное производство имеет большой опыт в проектировании, изготовлении и эксплуатации автомобилей и судов на сжиженном природном газе [1; 2].

Вспомогательный энергетический контур

В работе рассматривается газопоршневая установка (ГПУ) JMS 920 GS-N.LC мощностью 10 МВт, предназначенная для поддержания потребности населённого пункта в тепловой и электрической энергии. Топливом для газопоршневой установки также является сжиженный природный газ.

Для увеличения КПД и мощности энергетической установки зачастую используются вспомогательные контуры или вспомогательные энергетические установки. Одним из способов увеличения эффективности вспомогательного контура является подбор оптимального рабочего тела.

Работа вспомогательной энергетической установки осуществляется с учётом исходных данных холодного теплоносителя СПГ: расход GCH4 = 0,579 кг/с, температура

ТСН4 = 110 К и теплота парообразования гСН4 = 510 кДж/кг.

Так как подогрев идёт от окружающего воздуха, можно считать, что на нагрев рабочего тела энергия не затрачивается. Поэтому в установках циклов Ренкина и Брайтона возможно догреть рабочее тело до температуры окружающей среды ( Т3 = 293 К).

Работа вспомогательной энергетической установки рассматривалась с применением следующих криопродуктов: аргон, дифторхлорметан, трифторхлорметан, этилен, тетрафторэтан, тетрафторметан, этан. Схема вспомогательной энергетического контура на основе цикла Ренкина представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема вспомогательной энергетической установки, работающей по циклу Ренкина: а - схема энергетического контура; б - графическое изображение цикла Ренкина: Т - температура; Б - энтропия; q1 - подводимая теплота цикла; q2 - отводимая теплота цикла

Рабочее вещество охлаждается в конденсаторе от холодного СПГ, переходя из газообразного в жидкое агрегатное состояние. Далее с помощью насоса направляется в испаритель, где догревается до температуры окружающей среды 293 К. После чего рабочее тело расширяется, раскручивая турбину. Турбина подключена к электрогенератору, который вырабатывает электроэнергию. Цикл повторяется.

На рис. 1, б процесс 2-3 - адиабатное нагнетание в насосе; 3-6 - процесс испарения жидкости; 3-4 - процесс нагрева жидкости; 4-5 - процесс кипения; процесс 5-6 -изобарный нагрев пара (техническая работа насоса); процесс 6-1 - адиабатное расши-

Вспомогательный низкотемпературный энергетический контур

Установка на основе цикла Ренкина

а

б

рение пара в турбине. Процесс замыкается линией 1-2, соответствующей конденсации рабочего вещества.

Построение графика осуществляется с определения параметров точки 1. Температура точки берётся выше параметров криопродукта. Затем проводится вертикальная линия вверх до температуры тёплого теплоносителя 6 (температура окружающей среды 293 К). Далее по изобаре проводится линия до пересечения с кривой насыщения 5, проводится горизонтальная линия влево до пересечения с кривой насыщения 4, далее по кривой насыщения вниз до первоначальной температуры 6, цикл замыкается.

Затем определяется подводимая теплота: д1 = г6 — г1, где /1 - энтальпия в точке 1, ¡6 - энтальпия в точке 6.

Отводимая теплота: д2 = /2 - /1, где /2 - энтальпия в точке 2.

Работа турбины:

¡т = — .

Термический КПД цикла:

г/т =

_

д — Ч2

Чх

Расход рабочего тела:

г ■ G

^ = 'СИ 4 ^СЕ 4

Ч2 '

Мощность, вырабатываемая турбиной, определяется как

N = ¡ТО.

Количество электрической энергии для различных веществ приведено в табл. 1. В цикле Ренкина в качестве рабочего вещества были выбраны Аргон R740, Дифтор-хлорметан Трифторхлорметан R13, Этилен R1150, Тетрафторэтан R134a, Тет-

рафторметан R14, Этан R170.

Таблица 1. Оценка количества получаемой электрической энергии

Аргон Я740

Р , бар Ч1, кДж/кг Ч2, кДж/кг ¡т, кДж/кг О, кг/с N, кВт /т

10 228 165 63 1,789 112,747 0,27

13 222 168 54 1,757 94,914 0,24

15 218 169 49 1,747 85,616 0,22

18 214 174 40 1,697 67,882 0,18

20 210 173 37 1,706 63,154 0,17

Дифторхлорметан Я22

Р, бар Ч1, кДж/кг Ч2, кДж/кг ¡т, кДж/кг О, кг/с N, кВт /т

0,05 320 258 62 1,144 70,961 0,19

0,1 310 254 56 1,162 65,103 0,18

0,25 296 247 49 1,195 58,579 0,16

0,5 282 240 42 1,23 51,675 0,14

1,0 267 233 34 1,267 43,089 0,12

Окончание таблицы 1. Оценка количества получаемой электрической энергии

Трифторхлорметан R13

Р, бар q1, кДж/кг q2, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с N кВт Т?Т

0,05 240 166 74 1,778 131,635 0,31

0,1 233 163 70 1,811 126,811 0,3

0,25 221 160 61 1,845 112,579 0,27

0,5 210 155 55 1,905 104,780 0,26

1,0 196 150 46 1,968 90,555 0,23

ЭтиленR1150

Р, бар q1, кДж/кг q2, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с Ж, кВт Т?Т

0,05 739 529 210 0,558 117,222 0,284

0,1 726 526 200 0,561 112,277 0,275

0,25 695 510 185 0,579 107,115 0,266

0,5 667 497 170 0,594 101,004 0,254

1,0 635 480 155 0,615 95,354 0,244

Тетрафторэтан R134а

Р, бар q1, кДж/кг q2, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с N кВт Т?Т

0,05 309 240 69 1,23 84,895 0,223

0,1 298 236 62 1,251 77,576 0,208

0,25 280 230 50 1,283 64,193 0,178

0,5 264 223 41 1,324 54,290 0,155

1,0 245 215 30 1,373 41,203 0,122

Тетрафторметан R14

Р, бар q1, кДж/кг q2, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с N кВт Т?Т

0,05 246 148 98 1,995 195,529 0,398

0,1 239 146 93 2,022 188,095 0,389

0,25 228 143 85 2,064 175,522 0,372

0,5 216 139 77 2,124 163,577 0,356

1,0 203 134 69 2,203 152,052 0,339

Этан R170

Р, бар q1, кДж/кг q2, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с N кВт Т?Т

0,05 768 550 218 0,536 117,042 0,28

0,1 745 537 208 0,549 114,376 0,27

0,25 707 519 188 0,568 106,964 0,26

0,5 675 505 170 0,584 99,404 0,25

1,0 638 488 150 0,605 90,765 0,23

Зависимость мощности от степени повышения давления жк (отношения давления после компрессора к давлению перед компрессором) представлена на рис. 2.

Зависимость N от пк

250

200

150

100

50

R740

R22

R13

R1150

R134a

R14

R170

50 100 150

Степень повышения давления nk

200

250

Рис. 2. Зависимость мощности, вырабатываемой дополнительным контуром, от степени повышения давления (цикл Ренкина)

Установка на основе цикла Брайтона

Работа вспомогательной энергетической установки рассматривалась с применением следующих криопродуктов: трифторхлорметан R13; этилен R1150; тетрафторметан R14. Схема вспомогательной энергетического контура на основе цикла Брайтона представлена на рис. 3.

Теплый теплоноситель

а б

Рис. 3. Схема вспомогательной энергетической установки, работающей по циклу Брайтона: а - схема энергетического контура; б - графическое изображение цикла Брайтона: Т - температура; Б - энтропия; д1 - подводимая теплота цикла; д2 - отводимая теплота цикла

0

0

Рабочее вещество охлаждается в конденсаторе от холодного СПГ. Далее оно сжимается в компрессоре и направляется в испаритель. В испарителе происходит нагрев рабочего тела. Рабочее тело расширяется, раскручивая турбину. Аналогично циклу Ренкина турбина подключена к электрогенератору, который вырабатывает электроэнергию. Цикл повторяется.

Процесс 1-2 соответствует адиабатному сжатию рабочего вещества в компрессоре. Процесс 2-3 - изобарный подвод теплоты. Процесс 3-4 - адиабатное расширение рабочего вещества в турбине. Замыкающий процесс 4-1 - изобарный отвод теплоты от рабочего вещества.

Построение графика осуществляется с определения параметров точки 1. Температура точки берётся немного выше параметров криопродукта. Затем задаются два параметра, которые характеризуют цикл - степень повышения давления и начальное давление. Проводится вертикальная линия вверх до давления, обусловленного степенью повышения давления (точка 2). Далее по изобаре проводится кривая вверх до температуры окружающей среды 293 К (точка 3), затем вертикальная линия вниз до точки 4. График замыкается кривой 4-1, которая проводится по изобаре.

Работа сжатия компрессора: 1к = /2 - /1, где /1 - энтальпия в точке 1; /2 - энтальпия в точке 2.

Температура в конце процесса сжатия: Т2 = Т1

А

1-к к

где р1 - давление в точке 1;

р2 - давление в точке 2; к - показатель адиабаты.

Далее находим значение энтальпии с помощью известных нам давления в точке 2 и температуры в точке 3.

Работа расширения в турбине: 1Т = г3 - /4, где /3 - энтальпия в точке 3; /4 - энтальпия в точке 4. После расчёта параметров цикла определяется КПД цикла. Работа цикла: I = 1Т - 1к.

I

42

Термический КПД цикла: л = — = 1 —-, где I - удельная работа цикла; 41 - ко-

41 41

личество теплоты, подводимое к рабочему веществу, 42 - количество теплоты, отведённое от рабочего вещества.

Мощность, вырабатываемая турбиной, определяется по формуле N = I G, где G -

расход рабочего вещества в контуре получения дополнительной энергии.

Количество получаемой электрической энергии для различных веществ приведено в табл. 2.

Таблица 2. Оценка количества получаемой электрической энергии

Трифторхлорметан R13

Як р1, МПа 41, кДж/кг 42, кДж/кг 1Т, кДж/кг О, кг/с N, кВт Лт

12 0,05 34 23 11 12,838 141,225 0,32

12 0,1 29 20 9 14,764 132,88 0,31

12 0,25 19 13 6 22,714 136,287 0,31

12 0,5 11 8 3 36,911 110,733 0,27

2

Продолжение таблицы 2. Оценка количества получаемой электрической энергии

10 0,05 37 26 11 11,357 124,93 0,29

10 0,1 32 23 9 12,838 115,548 0,28

10 0,25 24 16 8 18,455 147,645 0,33

10 0,5 16 11 5 26,844 134,222 0,31

7 0,05 44 33 11 8,948 98,43 0,25

7 0,1 39 29 10 10,182 101,824 0,25

7 0,25 31 23 8 12,838 102,709 0,25

7 0,5 23 18 5 16,405 82,025 0,21

5 0,05 50 39 11 7,571 83,286 0,22

5 0,1 44 36 8 8,202 65,62 0,18

5 0,25 38 29 9 10,182 91,641 0,23

5 0,5 31 25 6 11,811 70,869 0,19

3 0,05 58 49 9 6,026 54,236 0,15

3 0,1 54 46 8 6,419 51,354 0,14

3 0,25 47 39 8 7,571 60,572 0,17

3 0,5 41 35 6 8,436 50,621 0,14

ЭтиленЯ1150

Кк Р , бар Ч1, кДж/кг Ч2, кДж/кг ¡Т, кДж/кг О, кг/с N, кВт /т

12 0,05 55 30 25 9,843 246,075 0,45

12 0,1 41 25 16 11,812 188,986 0,39

12 0,25 19 10 9 29,529 265,761 0,47

10 0,05 69 40 29 7,382 214,085 0,42

10 0,1 58 33 25 8,948 223,704 0,43

10 0,25 34 21 13 14,061 182,798 0,38

10 0,5 14 7 7 42,184 295,29 0,5

7 0,05 96 61 35 4,841 169,428 0,36

7 0,1 83 53 30 5,572 167,145 0,36

7 0,25 61 40 21 7,38225 155,027 0,34

7 0,5 44 28 16 10,546 168,737 0,36

5 0,05 118 80 38 3,691 140,262 0,32

5 0,1 107 74 33 3,99 131,68 0,3

5 0,25 86 59 27 5,005 135,132 0,31

5 0,5 70 47 23 6,283 144,503 0,32

3 0,05 147 114 33 2,59 85,478 0,22

3 0,1 135 107 28 2,76 77,272 0,2

3 0,25 119 95 24 3,108 74,599 0,2

3 0,5 104 83 21 3,558 74,711 0,2

Окончание таблицы 2. Оценка количества получаемой электрической энергии

Тетрафторметан R14

pl, МПа ql, кДж/кг q2, кДж/кг lT, кДж/кг G, кг/с N, кВт Лт

12 0,05 58 38 20 7,77 155,415 0,34

12 0,1 55 36 19 8,20 155,847 0,34

12 0,25 48 32 16 9,227 147,645 0,33

12 0,5 43 28 15 10,546 158,191 0,34

10 0,05 62 42 20 7,03 140,614 0,32

10 0,1 58 39 19 7,571 143,859 0,32

10 0,25 52 35 17 8,436 143,426 0,32

10 0,5 46 32 14 9,227 129,189 0,30

7 0,05 69 49 20 6,026 120,526 0,28

7 0,1 65 47 18 6,287 113,089 0,27

7 0,25 58 43 15 6,867 103,008 0,25

7 0,5 54 39 15 7,571 113,573 0,27

5 0,05 74 57 17 5,18 88,068 0,22

5 0,1 71 54 17 5,468 92,961 0,23

5 0,25 66 50 16 5,905 94,492 0,24

5 0,5 60 47 13 6,282 81,675 0,21

3 0,05 81 68 13 4,342 56,452 0,16

3 0,1 79 66 13 4,474 58,163 0,16

3 0,25 74 62 12 4,762 57,152 0,16

3 0,5 70 58 12 5,091 61,094 0,17

Зависимость мощности N от степени повышения давления пк для различных значений давленияр представлена на рис. 4.

Зависимость N от пк

R1150(0,05) R1150(0,1) R1150(0,25) R1150(0,5) R13(0,05) R13(0,1) ^^R13(0,25) ^^R13(0,5) 14 —^R14(0,05) ^^R14(0,1)

350

300

ь

СО 250

а:

г л 200

ь

о X 150

о s 100

50

0

2 4 6 8 10 12 Степень повышения давления пк

Рис. 4. Зависимость мощности, вырабатываемой дополнительным контуром, от степени повышения давления (цикл Брайтона)

Заключение

Проведя подбор оптимального рабочего тела для дополнительных низкотемпературных контуров, можно сделать следующие выводы:

1. Для установок, работающих по циклу Ренкина, наиболее подходящим веществом является Ю4 (тетрафторметан). При одинаковом начальном давлении его КПД 39% и мощность 195 кВт являются самыми высокими среди остальных рабочих веществ.

2. Для установок, работающих по циклу Брайтона, наиболее подходящим веществом является Ю150 (этилен). При одинаковых степенях повышения давления его КПД 49% и мощность 295 кВт являются самыми высокими среди остальных рабочих веществ. Но так как этилен чрезвычайно огнеопасен и взрывоопасен, альтернативой ему может служить Ю4 (тетрафторметан). Его КПД и мощность составляют 34% и 158 кВт соответственно.

Результаты работы получены с использованием оборудования центра коллективного пользования «Межкафедральный учебно-производственный научный центр САМ-технологий» при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № 0777-20200019).

Библиографический список

1. Бармин И.В., Кунис И.Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 256 с.

2. Архаров А.М., Беляков В.П., Микулин Е.И. Криогенные системы. М.: Машиностроение, 1987. 535 с.

INCREASING THE EFFICIENCY OF LOW-TEMPERATURE POWER PLANTS BY SELECTING THE OPTIMAL WORKING FLUID OF THE AUXILIARY CIRCUIT

Master Student; Institute of Engines and Power Plants;

Samara National Research University, Samara, Russian Federation;

vanchel20@gmail.com

Master Student; Institute of Engines and Power Plants;

Samara National Research University, Samara, Russian Federation;

vladtochenov@gmail.com

Postgraduate Student of the Department of Thermal Engineering and Thermal Engines;

Samara National Research University, Samara, Russian Federation; panshinroman2016@yandex.ru

The article discusses one of the ways to improve the efficiency of low-temperature power plants. Selection of the working substance for the auxiliary low-temperature power circuit is a relevant option for increasing the power. The low temperature potential of cryogenic substances is used to improve the efficiency of energy systems. Auxiliary power plants operating according to the Rankine cycle and the Brayton cycle were used in the work since these cycles are most efficient for the operation of auxiliary low-temperature power plants. The following low-temperature cryogenic substances were chosen for the power plant operating according to the Rankine cycle: argon, difluorochloromethane,

© 2021

I. A. Eliseev V. V. Tochenov R. A. Panshin

trifluoromethane, tetrafluoromethane, ethylene, ethane. For the power plant operating according to the Brayton cycle we chose ethylene, trifluorochloromethane, tetrafluoromethane. According to the results of calculations, as well as according to the results of analyzing the dependence of power on the degree of increasing the pressure, we suggest several cryogenic substances that show the best performance among the considered working fluids.

Cryogenic power plant; working fluid

Citation: Eliseev I.A., Tochenov V.V., Panshin R.A. Increasing the efficiency of low-temperature power plants by selecting the optimal working fluid of the auxiliary circuit. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2021. V. 20, no. 4. P. 79-88. DOI: 10.18287/2541-7533-2021-20-4-79-88

References

1. Barmin I.V., Kunis I.D. Szhizhennyy prirodnyy gaz vchera, segodnya, zavtra [Liquefied natural gas yesterday, today, tomorrow]. Moscow: Bauman Moscow State Technical University Publ., 2009. 256 p.

2. Arkharov A.M., Belyakov V.P., Mikulin E.I. Kriogennye sistemy [Cryogenic systems]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1987. 535 p.