CC BY
13
УДК 621.43 + 621.51
В.Л. Юта; V.L. Yusha, e-mail: yusha@omgtu.nt Г.И. Чернов, GJ. Chernov, e-mail: gi_chern0\'2002@jnail.ru Омский государственный технический университет. г. Омск, Россия Omsk State Tecliiucal University, Omsk Russia
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ МОБИЛЬНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК С СИСТЕМОЙ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
THERMODYNAMIC ANALYSIS OF STRUC TURAL SCHEVIES OF MOBILE C OMPRESSOR UNITS WITH HEAT RECOVERY SYSTEM LOSSES
Доклад посвящен рассмотрению возможных схем рекуперации тепловых потерь мобильных компрессорных установок и термодинамическому анализу их эффективности. Представлены возможные схемы ж математические выражения, выражающие эффективность рассмотренных схем. проведен численный анализ полученных выражений.
The report is devoted to the possible schemes recovery of heat losses mobile compressor plants and thermodynamic analysis of Their effectiveness. Presents possible schemes and mathematical expressions, expressing the effectiveness of The schemes, the numerical analysis of the obtained expressions.
Ключевые слова: мобильная компрессорная установка, система рекуперащш тепловых потерь, теплосиловая установка
Keywords: mobile compressor plant, recover}' system heat losses, heat-power plant
Список обозначений:
К - компрессор;
ДВС: - двигатель внутреннего сгорания - привод компрессорной установки:
Д - теплосиловая установка (двигатель) с внешним подводом тепла;
G - массовый расход газа, сжимаемого в компрессоре К;
Gi - массовый расход газа, сжимаемого в компрессоре К1;
СЬ - массовый расход газа, сжимаемого в компрессоре К2;
Mi - массовый расход топлива, потребляемого ДВС с учётом его экономии в результате рекуперации тепловых потерь;
No - мощность ДВС без учёта её снижение в результате рекуперашш тепловых потерь;
Ni - мощность ДВС, учитывающая её снижение в результате рекуперации тепловых потерь;
N - мощность теплосиловой установки (двигателя) с внешним подводом тепла;
Qo - тепловой поток, подводимый к ДВС: в результате сгорания топлива при отсутствии рекуперации тепловых потерь;
Qi - тепловой поток, подводимый к ДВС в результате сгорания топлива с массовым расходом Mi;
Q: - тепловой поток, отводимый от ДВС: и подводимый к Д;
Qs - тепловой поток теплоты сжатия в компрессоре, отводимый от Т/О и подводимый к Д;
Q4 - тепловой поток, отводимый от Д в окружающую среду:
Q5 -тепловой поток, отводимый от холодильной машины в окружающую среду; Об - тепловой поток, отводимый от T/Oi в окружающую среду;
Охм - тепловой поток, отводимый от потока газа (хоподопроизвоцителыгость холодильной машины);
0:=, — тестовой поток, отводимый от компрессора К2 и подводимый к Д:.
Он — тепловой поток, отводимый от компрессора К1 и подводимый к Д:.
Т/О - концевой теплообменник компрессорной установки;
Т/О1 - теплообменник, передающий теплоту, отводимую от компрессора К и двигателя ДВС к двигателю Д:
Т/О: - теплообменник, посредством которого тепловой поток отводится от потока газа и передаётся холодильной машине;
Т/Оз - теплообменник, посредством которого тепловой поток Оз теплоты сжатия отводится от потока газа и передаётся двигателю Д;
ХМ - холодильная машина, охлаждающая поток газа, поступающего на всасывание в компрессор;
я- степень повышения давления газа в компрессоре: к - коэффициент адиабаты сжимаемого газа; е - холодильный коэффициент холодильной машины;
а - доля, которую составляет тепловой поток, подводимый к двигателю Д, от величины теплового потока, подводимого к теплообменнику Т/О1;
Р - доля мощности, вырабатываемой двигателем Д, которая направляется на привод холодильной машины.
г|двс - КТТД двигателя внутреннего сгорания - привода мобильной коьшрессорной установки;
1] - - КПД теплосиловой установки с внешним подводом тепла;
Ро - давление окружающей среды;
Р1 - давление нагнетания после основного компрессора К1;
Р: - давление нагнетания дополнительного основного компрессора К2;
К\ - степень повышения давления основного компрессора К или К1;
- степень повышения давления при совместной основного компрессора К1 и дополнительного К2.
В мобильных компрессорных установках (станциях) с приводным двигателем внутреннего сгорания вся энергия, выделяемая в двигателе в результате сгорания топлива, отводится в атмосферу с выхлопными газами, в системах охлаждения масла, тосола и наддувочного воздуха в двигателе [1]. в системах охлаждения газа, смазывающей и охлаждающей жидкостей в компрессоре, при транспортировании сжатого газа по трубопроводам [5, 10]. В ситу этого проблема рекуперации этих тепловых потерь на сегодняшний день чрезвычайно актуальна [2, 3. 4]. При этом выбор мобильной компрессорной установки в качестве объекта для реализации систем рекуперации тепловых потерь открывает новые возможности для эффективной утилизации потерь, т.к. позволяет последовательно использовать в качестве источников нагрева дополнительного теплоносителя рекуперативного контура низкопотенциальную теплоту сжатого газа компрессора и высокопотенцнальную геплогу выхлопных газов двигателя.
Известно много способов рекуперации тепловых потерь, которые могут быть реализованы в компрессорных установках [б, 7, 8, 9] В представленной работе рассмотрены возможные способы применения теплосиловой установки с внешним подводом тепла для рекуперации тепловых потерь коьшрессорной установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания (частным случаем такой теплосиловой установки может являться установка, реализующая цикл Ренкина).
Использование теплосиловой установки с внешним подводом тепла в качестве систе-?,гы рекуперации тепловых потерь компрессорной установки позволяет получить дополни-
тельную механическую энергию которая может сыть направлена на снижение потребления топлива при неизменной мощности компрессора, либо на повышение мощности компрессорной установки при сохранении неизменным расхода топлива в двигателе - приводе компрессора. Во втором случае дополнительная мощность может быть реализована либо в виде увеличения производительности компрессорного агрегата при неизменном конечном давлении сжимаемого газа, либо в виде повышения давления нагнетаемого газа при неизменной производительности компрессора. Возможны также комбинированные варианты, которые в этой статье не рассматриваются.
Сначала рассмотрим задачу снижения затрат топлива на привод компрес сорной установи! при неизменной полезной мощности компрессора. В этом случае дополнительная мощность, получаемая в результате функционирования теплосиловой установки с внешним подводом тепла, может быть направлена: 1) на привод самого компрессора; 2) на привод холодильной машины, понижающей температуру входящего в компрессор сжимаемого газа, и тем самым снижающей затраты мощности на сжатие; 3) на привод компрессора и холодильной машины одновременно.
Схема, реализующая первый случай, представлена на рис. 1
Анализ этой схемы представлен в [11]. В результате термодинамического анализа было получено выражение для отношения М^'М] .которое показывает, какую долю составляет расход топлива на привод компрессора с рекуперацией тепловых потерь Мл от расхода топлива без рекуперации Мо.
В этом выражении т|двс - КПД двигателя внутреннего сгорания. т| - КПД двигателя с внешним подводом тепла. При т|двс=0;35 [1] и 1]=0,33 [13] выражение (1) даёт значение 0.42. Это означает, что теоретически экономия топлива в результате рекуперации тепловых потерь компрессорной установки рассмотренным способом составляет 58%.
Схема, реализующая второй случай, при котором дополнительная мощность, получаемая в результате работы теплосиловой установки с внешним подводом тепла, направлена
Рис. 1. Схема рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки посредством использования теплосиловой установки с внешним подводом тепла, вырабатываемая энергия которой направлена на привод компрессора
М,
( ,
0 1 , 1 1
1 + п ■--1
, Пдвс
1-л
(1)
на привод холодильной машины, понижающей температуру входящего в компрессор сжимаемого газа, представлена на рис. 2.
ь ■
| 1?вс. 2. Схема рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки посредством использования теплосиловой установки с внешннм подводом тепла, вырабатываемая энергия которой, направлена на привод холодильной машины
Анализ этой схемы представлен в [12]. В результате термодинамического анализа было получено выражение для доли расхода топлива на привод компрессора с рекуперацией тепловых потерь М1 от расхода топлива без рекуперации Мо
М, м„
1
1 + а
е-п
Л
две
7Г1 ь -1
(2)
В этом выражении:
Особенностью рассмотренной на рис. 2 схемы является то, что необходимое условие её работы состоит в отводе от теплообменника Т/О1 теплоты Об в окружающую среду. Коэффициент я определяется соотношением
1 - а =-
Иначе говоря, а представляет собой долю, которую составляет тепловой поток, подводимый к двигателю Д, от величины теплового потока, подводимого к теплообменнику Т.'Оь При этом значение а ограничивается условием [12]
Пдвс
Если последнему выражению присвоить равенство, то значение а будет максимальным. а уравнение (2) примет вид
М М
1 = Т11 ь
(3)
которое при значениях ТГ1=5 и к=1.4 даст значение отношения М1/Мо=0,63, что означает экономию 37% топлива.
Схема, реализующая третий случай, при котором дополнительная мощность, получаемая в результате работы теплосиловой установки с внешним подводом тепла, направлена на привод компрессора и холодильной машины одновременно, представлена на рис. 3.
В результате термодинамического анализа этой схемы было получено выражение (4) для доли расхода топлива на привод компрессора с рекуперацией тепловых потерь Мл от расхода топлива без рекуперашш Мс
Т/О,
Д
I Рнс. 3. Схема рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установи
■ посредством использования теплосиловой установки с внешним подводом тепла, вырабатываемая энергия которой направлена на привод холодильной машины н компрессора одновременно
М.
1-п
1+Т! 1 + Р-^е [ лД1 -1 К 1
Л**
Из этой формулы видно, что если р=0, г.е. холодильная машина отключена и утилизированное тепло затрачивается только на снижение мощности двигателя - привода компрессора, то выражение (4) преобразуется в выражение (1).Численный анализ показывает, что при отключенной холодильной машине (р=0) экономил подводимой к двигателю тепловой энергии, а значит, и расход топлива, достигает 58%, что соответствует результату анализа схемы на рис. 1 Подключение холодильной машины к системе рекуперации позволяет экономию увеличить ещё на 15%
Рассмотрим случай реализации повышения эффективности компрессорной установки путём увеличения её полезной мощности. При этом будем считать, что мощность ДВС; затрачиваемая на привод установки (а значит и расход топлива), остаётся неизменной. Для это го введём в рассмотрение дополнительный компрессор К2, который будет реализовывать дополнительную мощность, полученную от теплосиловой установки с внешним подводом тепла Д. Первый же компрессор К1 имеет в качестве привода ДВС. При этом возникает дополнительный поток утилизируемого тепла, который отводится от компрессора К2 и подводится к теплосиловой установке с внешним подводом тепла.
Как уже было сказано выше, дополнительная мощность, создаваемая двигателем с внешним подводом тепла, может бьпъ реализована либо в виде увеличения производительности компрессорного агрегата при неизменном конечном давлении сжимаемого газа, либо в виде повышения давления нагнетаемого газа при неизменной производительности компрессора.
В случае увеличении производительности компрессора схема рекуперации тепловых потерь будет иметь вид, представленный на рис. 4.
Ог
Рис. 4. Сх-ема рекуперации тепловых
потерь мобильной компрессорной установки посредством использования теплосиловой установки с внешним п одводом тепла, вырабатываемая энергия которой направлена на увеличение прон!воднлельносгн установки при неизменной степени повышения давления
К1
1
К2
Анализ этой схемы представлен в [11]. В результате термодинамического анализа было получено выражение для коэффициента повышения производительности установки в результате рекуперации тепловых потерь
Gl + G3
= 1 +
(5)
Пл
1-1
Видно, что при значениях т]двс=0,3 и т|=0,3 производительность компрессорной установки возрастает более чем в 2 раза.
В случае увеличении степени повышения: давления компрессора схема рекуперашш тепловых потерь будет иметь вид, представленный на рис. 5.
Анализ этой схемы представлен в [11]. В результате термодинамического анализа было получено выражение для коэффициент роста степени повышения давления установки в результате рекуперации тепловых потерь
Рис 5. Схема рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки посредством использования теплосиловой установки с внешним подводом тепла, вырабатываемая энергия которой направлена на увеличение степени повышения давления прн неизменной производительности установки
1
-„^(Н
—1
71,
[6)
При значения ¡11=5, Л две-0,3 и т|=0,3 формула (б) даёт Сп=1,99, т.е. в результате рекуперации тепловых потерь степень повышения давления установки возрастает практически в 2 раза.
Результаты проведённых исследований во многом носят качественный характер, однако наглядно показывают, насколько эффективно применение теплосиловой установки с внешним подводом тепла в качестве системы рекуперации тепловых потерь компрессорной установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания: обеспечивается существенная экономия топлива при неизменном режиме работы компрессорной установки, при фиксированном расходе топлива примерно в два раза повышается производительность компрессор-нон установки (при неизменных давлениях всасывания и нагнетания), либо в 2 раза возрастает степень повышения давления установки.
Библиографический список
1. Двигатели внутреннего сгорания: теория рабочих процессов / В. Н. Луканин [и др.]. -М. : Высшая школа, 2007. - 479 с.
2. Цанев. С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых, электростанций I С В. Цанев. В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. - М. : МЭИ, 2009 - 580 с.
3. Юша, В. Л. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В. Л. Юша. Г. И. Чернов П Омский научный вестник. - 2009. - № 3 (83). - С. 154 - 158.
4. Cycle for Waste Heat Recovery of 1С Engines / J. Ringler, M. Seifert, V. Gnyotot, W. Huebner. J. Rankine // SAE Paper No. (2009)-01-0174.
5. Теплотехника : учеб. для вузов по направлению "Энергомашиностроение" /
A. М. Архаров [и др.] ; под ред. А. М. Архарова. В Н. Афанасьева. - 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Изд-во МЕТУ им Н. Э. Баумана, 2004. - 711 с.
6. Селиверстов, В М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках У
B. М. Селиверстов. - Л. : Судостроение. 1973. - 256 с.
7. Hutter J. Energy efficiency m compressors and compressed air systems, International Rotating Equipment Conference 2008, Diisseldorf [Электронный ресурс].- Режим доступа: http //www boge com/eii',,artikeL,,eii/Effek1iA\',,HRC j sp?msf=250&switchlang=en.
8. Пласгннин. П И. Поршневые компрессоры: в 2-х т. Г 1 Теория и расчёт. - М. : Колос, 2002 - 456 с.
9. HD Diesel engine equipped with a bottoming Rankine cycle as a waste heat recovery' system Part 2: Evaluation of alternative solutions / J Serrano, V Dolz, R Novella, Aa A. Garc // Applied Thermal Engineering. - 2012. - 36(0). - P. 79 - 87.
10. Юша, В. Л. Системы охлаждения и газораспределения объёмных компрессоров / Юша . - Новосибирск : Наука, 2006. - 236 с.
11. Юша, В. Л. Анализ термодинамической эффективности применения цикла Ренки-на в системе рекуперации тепловых потерь компрессорной установки с приводным двигателем внутреннего сгорания / В. Л. Юша. Г. И Чернов И Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 2 (120). - С. 254-260.
12. Yusha, V. Effectiveness analysis of using the Rankine cycle and cycle of refrigeration machine for recuperation of heat losses ш mobile compressor unit / V. Yusha. G Chernov // 8-th International Conference on Compressors and Coolants. — Papiemicka, Slovakia, 2013. - P. 45.
13. Кириллин, В А. Техническая термодинамика / В А. Кириллин. В В.Сычев. А.Е. Шейндлин - М. : Энергоагомиздат, 1983. - 416 с.
