Термодинамический анализ теплоиспользующей холодильной машины с диоксидом углерода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Восточно-Европейский журнал передовых технологий ISSN 1729-3774

-----------------□ □--------------------

Стаття присвячена термодинамічному аналізу тепловикористальної холодильної машини з діоксидом вуглецю в якості робочої речовини. Схемно-циклове рішення сформовано «методом циклів», ефективність оцінювалась ексергетичним методом аналізу окремих компонентів і машини в цілому. Встановлено діапазон робочих температур і тисків, при якому машина має максимальну ексергетичну ефективність

Ключові слова: термодинамічний аналіз, ексергетична ефективність, ексергія палива, продукт, деструкція, діоксид вуглецю, тепловикористальна холодильна машина

□---------------------------------□

Статья посвящена термодинамическому анализу теплоиспользующей холодильной машины с диоксидом углерода в качестве рабочего вещества. Схемно-цикловое решение сформировано «методом циклов», эффективность оценивалась эксергетиче-ским методом анализа отдельных компонентов и машины в целом. Установлен диапазон рабочих температур и давлений, при котором машина имеет максимальную экс-ергетическую эффективность

Ключевые слова: термодинамический анализ, эксергетическая эффективность, эксергия, топливо, продукт, деструкция, диоксид углерода, теплоиспользующая холодильная машина -----------------□ □--------------------

УДК 621.574

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ С ДИОКСИДОМ

УГЛЕРОДА

Л. И. Морозюк

Доктор технических наук, доцент* Т. В. Морозюк

Доктор технических наук, профессор Кафедра эксергетических методов для холодильной техники Берлинский технический университет ул. Марч, 18, г. Берлин, Германия, 10587 Е-mail: morozyuk@iet.tu-berlin.de С. В. Гайдук Аспирант*

E-mail: gayduck.sergei@yandex.ua *Кафедра холодильных машин, установок и кондиционирования воздуха Институт холода, криотехнологий и экоэнергетики им. В. С. Мартыновского Одесская национальная академия пищевых технологий ул. Дворянская, 1/3, г. Одесса, Украина, 62026

1. Введение

Утилизация сбросов теплоты энергетических установок и технологических процессов промышленных предприятий с различными температурными уровнями - одно из основных условий экономии энергетических ресурсов. Для холодильной техники, как наиболее энергоемкой отрасли хозяйства любой страны, перспективой является совершенствование теплоиспользующих машин с расширенной возможностью утилизации любого вида теплоты в совокупности с созданием новых схемно-цикловых решений, что способствует уменьшению ее энергетической зависимости.

Совместное производство механической энергии и получения холода в одной машине давно признано эффективным способом уменьшения потребления материальных и природных ресурсов.

В классификационную группу теплоиспользующих машин входят абсорбционные [1], эжекторные [2] и парокомпрессорные машины с приводом от турбины, работающей на том же рабочем веществе, что и холодильная машина [3].

Компрессорные машины были созданы последними в этом классе имели преимущество - высокую

энергетическую эффективность. Широкую известность и развитие получили машины, работающие по циклу Чистякова-Плотникова [4]. Машины работали на HFC и HCFC веществах ^12, К11, R22) при температурах источника тепла высокого потенциала от 60 до 250 оС, рабочих давлениях от 10 до 25 бар. Машина объединяла силовой и холодильной контур общим конденсатором и агрегатом «турбина-компрессор»

[4, 5].

По проблемам развития малых компрессорных теплоиспользующих машин было выполнено большое количество исследований, итоги которых подробно изложены в работах [5, 6].

Однако использование компрессорных теплоиспользующих машин в настоящее время невозможно из-за запрета на рабочие вещества К11, R12 и R22.

Авторы обращаются к выбору новых рабочих веществ для теплоиспользующих холодильных машин с целью возможности их реализации при условии выполнения задач энергосбережения. Были рассмотрены более десятка рабочих веществ ^23, R123, R125, К.134, R143, R152, R290, R407с, R600, R717, R718, R744), которые используются в парокомпрессорных холодильных машинах [7-9], в реализации надкритического цикла

© Л. И. Морозюк, Т. В. Морозюк, С. В. Гайдук, 2014

Брайтона и циклов совместного получения холода и тепла [10, И].

Термодинамический анализ физических свойств выявил преимущество и недостатки применения указанных рабочих веществ. Приоритет был отдан диоксиду углерода - 11744.

2. Обзор литературы и постановка задачи исследования

В настоящей время широко используются холодильные машины с диоксидом углерода в качестве рабочего вещества нижнего каскада каскадных машин [12] и одноступенчатых парокомпрессорных с процессами в надкритической области [13]. Однако о практическом использовании 11744 в теплоиспользующих машинах или создании схемно-циклового решения теплоиспользующей холодильной машины с диоксидом углерода информации нет, поэтому можно говорить о перспективности исследования. Соответственно, описанными проблемами необходимо, провести полный анализ с использованием методов термодинамики: «методом циклов» для создания схемно-циклового решения; энергетический и эксергетический анализы для определения оптимальных параметров рабочего вещества в элементах машины для ее максимальной эффективности.

3. Термодинамический анализ машины

Особенностью синтеза структуры теплоиспользующей машины с 11744 является то, что критическая температура равна или близка температуре окружающей среды, которая является одним из трех источников тепла в цикле машины. Таким образом, создаются условия, когда процессы в силовом цикле теплоиспользующей машины осуществляются в надкритической области, а в холодильном - в двухфазной.

Для формирования структуры машины и системы ее термодинамического совершенства воспользуемся методами технической термодинамики.

3. 1. «Метод циклов» в формировании схемно-ци-клового решения

Схемно-цикловое решения авторы предлагают формировать «методом циклов», принцип которого состоит в поэтапном преобразовании обратимого цик-ла-образца в действительный путем ухудшений (наращивания необратимостей), обусловленных свойствами рабочего вещества и реальными условиями работы элементов машины [14-16].

В качестве обратимого цикла-образца предложен сложный цикл «Карно-Карно», состоящий из двух простых циклов - силового и холодильного. В результате объединения получены четыре сложных цикла (рис. 1), имеющих определенные преимущества и перспективы практической реализации. Общие точки, принадлежащие обоим циклам, свидетельствуют о наличии единого рабочего вещества в силовом и холодильном контурах. Анализ циклов-образцов, выполненный авторами [17], выявил наиболее перспектив-

ный цикл б (рис. 1) для дальнейшего исследования и создания машины.

Рис. 1. Обратимые циклы-образцы Карно-Карно для теплоиспользующей холодильной машины:

С — силовой цикл; X — холодильный цикл;

Т —температура, К; э — энтропия, кДж/(кг К); \л/ — работа цикла, кДж/кг; Тги — температура греющего источника, К; Тср — температура окружающей среды, К;

Тх — температура объекта охлаждения, К; 1—2 и

6—7 — адиабатное сжатия; 2—3 —отвод тепла; 3—4 и 8—5 — адиабатное расширения; 4—1 и 7—8 — подвод тепла

Последующее построение цикла предложенным методом предусматривает учет термодинамических свойств 11744 путем введения пограничных кривых, изобарных процессов подвода и отвода тепла в силовом цикле и процесса сжатия сухого насыщенного пара в компрессоре холодильного цикла (рис. 2. цикл 2); изобарных процессов подвода и отвода тепла в холодильном цикле (рис. 2, цикл 3) и введения внутренних необратимостей в обоих циклах (рис. 2, цикл 4). Внутренние необратимости в процессах 1-2, 3-5 и 6-7 характеризуют коэффициенты полезного действия (КПД) соответствующих элементов.

Действительному циклу соответствует схемное решение теплоиспользующей холодильной машины с 11744 в качестве рабочего вещества (рис. 3), которое защищено патентом [18].

Работает машина следующим образом. В газовом нагревателе (ГН) происходит нагрев 11744 при высоком давлении, благодаря подводу тепла от греющего источника (ГИ). Нагретый газ расширяется в турбине (Т) до среднего давления с производством работы, используемой в компрессоре (КМ) и насосе (Н).

Пар низкого давления из испарителя (И) поступает в компрессор, где сжимается до среднего давления.

Два потока пара среднего давления смешиваются, после чего путем отвода тепла в окружающую среду (температура среды выше критической температуры) охлаждаются в газовом охладителе (ГО) или конденсируются в конденсаторе (КД) с температурой среды ниже критической. После конденсации (охлаждения) потоки разделяются, поступая в насос (Н) и дроссельный вентиль (ДР).

Для осуществления работы силового цикла используется насос, который работает в условиях сжатия как паров с высокой плотностью, так и конденсата (насосы высокого давления, плунжерного типа).

Процесс производства холода осуществляется в испарителе (И) при теплообмене с источником тепла низкого потенциала.

В

Рис. 2. «Метод циклов» в формировании схемно-циклового решения теплоиспользующей компрессорной холодильной машины: С — силовой цикл; Х — холодильный цикл;

Т —температура, К; s — энтропия, кДж/(кг К); w — робота цикла кДж/кг;

ТН — максимальная температура рабочего вещества в газовом нагревателе, К;

Тго — температура рабочего вещества на выходе из газового охладителя, К;

То — температура кипения рабочего вещества в испарители, К; 1^ и 6-7в — адиабатное сжатия; 2-3 — отвод тепла; 3-4 и 8^ — адиабатное расширения; 4-1и 7-8 — подвод тепла; 3-4И — изоэнтальпийный процесс расширения; 7, 5 и 2 — реальные параметры рабочего вещества с турбины, насоса и компресора

Рис. 3. Схема компрессорной теплоиспользующей холодильной машины: И — испаритель; КМ — компрессор;

ДР — дроссельный вентиль; ГО — газовый охладитель (КД — конденсатор); Н — насос; ГН — газовый нагреватель; Т — турбина; ТТн — средняя температура теплоносителя в

газовом охладителе, К; ТХН — средняя температура хладоносителя в испарителе, К

Дальнейшей термодинамический анализ теплоиспользующей холодильной машины связан с определением рабочих температур и давлений, при которых машина имеет максимальное значение энергетической эффективности.

3. 2. Энергетический анализ схемного решения

Существует несколько методов термодинамического анализа действительных циклов, основанных на законах термодинамики. Один из них - энергетический, суть -определение коэффициентов преобразования энергии в цикле (СОР), основанный на первом законе термодинамики [14, 16].

Работая в разных диапазонах температур и давлений, машина может иметь разную эффективность. При анализе устанавливается тот интервал температур и давлений, в котором энергетическая эффективность имеет максимальное значение.

Такой анализ был проведен, и его результаты авторы представили в работе [19]. Анализ показал, что машина имеет высокие значения СОР для теплоиспользующих холодильных машин.

Методы термодинамического анализа, основанные на использовании второго закона термодинамики, позволяют оценить термодинамическое совершенство как отдельных процессов, так и цикла в целом. Одним из них является эксергетический анализ [20].

3. 3. Эксергетический анализ машины

Элементы теплоиспользующей холодильной машины с диоксидом углерода в качестве рабочего вещества, с точки зрения эксергетического анализа, являются простыми и представляют наименьшую неделимую единицу в составе системы, в которой происходит преобразование энергии.

Для проведения анализа используем четыре понятия, которые введены в мировую терминологию прикладной термодинамики [21, 22]:

- «топливо» - эксергетический поток ( ЕТ ), снабжающий компонент эксергией, в том числе поток от внешнего источника (топливо для всей системы);

- «продукт» - эксергетический поток ( ЕП ), воспринимающий эксергию от «топлива». Этот поток ассоциируется с полезным эффектом (в эксергетическом выражении), производимым компонентом. Особый случай представляет компонент, в котором продуктом является поток эксергии, уходящий к внешнему источнику (полезный эффект всей системы);

- «деструкция эксергии» (разрушение эксергии) -внутренние необратимые потери в компоненте, связанные, например, с теплообменом при конечной разности температур и с движением потоков с трением ( ЕД ).

«Потери эксергии» обусловлены взаимодействием компонентов с окружающей средой (теплообмен при отсутствии термического равновесия между средой и наружной поверхностью компонента), то есть передача эксергии в окружающую среду. При отсутствии информации о конкретной конструктивной модели компонента, потери эксергии в нем принимаются равными нулю.

Целью эксергетического анализа является получение информации о местонахождения, и величине термодинамической неэффективности (необратимости) для последующего решения проблемы повышения эффективности рассматриваемой системы.

3

В процессе анализа поэтапно определяем следующие критерии:

- абсолютную деструкцию эксергии в і - том компоненте, т. е. численное значение необратимостей, Ед;;

- эксергетическую эффективность ; - того компонента

Пэ, =

Е

(1)

где тХ, тС - массовые расходы рабочего вещества в холодильном и силовом циклах соответственно, кг / с; е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Эксергия продукта

Епго = Ого

Т

1 _ ср Т

1ТН у

, кВт,

(9)

- абсолютную деструкцию эксергии в машине в целом

ЕДМ = Х Ед,;

(2)

где Ого - теплота, отведенная в газовом охладителе (конденсаторе), кВт; ТТН - средняя температура теплоносителя, К .

Деструкция эксергии

- эксергетическую эффективность машины в целом Е

-•-'ТТІМ

ПЭМ = "

(3)

Е = Е _ Е кВт

ДГО ТГО ПГО

(10)

Эксергетическая эффективность газового охладителя (конденсатора).

Рассмотрим подробно каждый элемент.

Испаритель (рис. 4).

Эксергия топлива

ЕТИ = тх " (е4 — е1), кВт,

(4)

где тх - массовой расход рабочего вещества в холодильном цикле, кг / с ; е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг. Эксергия продукта

Т

1 _ ср Т

1ХН

, кВт,

(5)

ПЭГО = -

(11)

Рис. 5. Потоки эксергии в газовом охладителе

где - теплота, отведенная от объекта охлаждения, кВт; ТСР, ТХН - температура окружающей среды и средняя температура хладоносителя в испарителе соответственно, К .

Деструкция эксергии

Е = Е _ Е кВт

ДИ ТИ ПИ

Эксергетическая эффективность испарителя Пэи = 1^-

ЕТИ

(6)

(7)

Газовый нагреватель (рис. 6)

Эксергия топлива

ЕТГН = Йгн.

Т

1 _ СР

Т

1ИТ у

, кВт,

(12)

где ЦГН - теплота, подведенная от высокопотенциального источника в газовом нагревателе, кВт ; ТИТ - средняя температура высокопотенциального источника теплоты, К .

Эксергия продукта

ЕПГН = тс ■ (еб — е5), кВт, (13)

где е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Деструкция эксергии

ЕДГН = ЕТГН ЕПГН, кВ^

(14)

Рис. 4. Потоки эксергии в испарителе

Газовый охладитель (конденсатор) (рис. 5)

Эксергия топлива

Эксергетическая эффективность газового нагревателя

ЕТГО = тХ ■ (е2 _ ез) + тС -(е7 _ езХ кВт,

(8)

ПЭГН = "

(15)

Пі

ТМ

Рис. 6. Потоки эксергии в газовом нагревателе

Компрессор (рис. 7)

Эксергия топлива

ЕТКМ = тх ■ (Ь2 — ^1), кВт,

(16)

где Ь - энтальпия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг.

Эксергия продукта

Епкм = тх ■ (е2 _ еД кВт

(17)

где е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж /кг .

Деструкция эксергии

Е — Е Е кВт

^ДКМ _ ^ТКМ ^ПКМ’

^ДКМ _ ^ТКМ ^ПКМ

Эксергетическая эффективность компрессора Е

-•-'ТТТГІУ/Г

(18)

ПЭКМ — "

(19)

Рис. 7. Потоки эксергии в компрессоре

Турбина (рис. 8)

Эксергия топлива

Етт — тс ■ (ев Є7), кВт,

(20)

где е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж /кг .

Эксергия продукта

Епт — тс ■ (^в ^7), кВт,

(21)

где Ь - энтальпия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Деструкция эксергии

ЕДТ = ЕТТ -ЕПТ, кВт. (22)

Эксергетическая эффективность турбины

Пэт = ЕпТ. (23)

Рис. 8. Потоки эксергии в турбине

Насос (рис. 9)

Эксергия топлива

ЕТН — тс (^5 _ Ь3), кВт,

(24)

где Ь - энтальпия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Эксергия продукта

ЕПН — тс ■ (е5 ез), кВт,

(25)

где е - удельная эксергия рабочего вещества в соответствующих точках цикла, кДж /кг .

Деструкция эксергии

Е — Е ________Е кВт

ДН ТН ПН

Эксергетическая эффективность насоса Пэн — ЕПН-

(26)

(27)

Рис. 9. Потоки эксергии в насосе

Дроссельный вентиль (рис. 10)

Эксергия топлива

ЕТДР = тх ■ (ет3 — ет4), кВт,

(28)

где ет - удельная механическая эксергия в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Эксергия продукта

ЕПДР — тх ■ (^2 etl), кВт,

(29)

где ек - удельная термическая эксергия в соответствующих точках цикла, кДж / кг .

Деструкция эксергии

Е — Е __________Е кВт

ДДР ТДР ПДР?

(30)

Эксергетическая эффективность дроссельного вентиля

ТН

ТТ

ПЭДР =

"ПДР

(31)

Рис. 10. Потоки эксергии в дроссельном вентиле

Эксергетическая эффективность машины в целом Е

ПЭМ = "

Деструкция эксергии в машине в целом

(32)

ЕДМ ЕДТ + ЕДГН + ЕДН + ЕДДР + ЕДГО '

-ЕДКМ + EДИ, кВт. (33)

Эксергетический анализ проведен для теплоиспользующей машины, работающей при следующих условиях:

- температура окружающей среды ^р = 25 °С ;

- максимальная температура рабочего вещества в газовом нагревателе = 100...300 °С ;

- давление рабочего вещества в газовом нагревателе рГН = 90...300 бар.;

- температура рабочего вещества на выходе из газового охладителя (конденсатора) ^О = 28 С ;

- средняя температура хладоносителя в испарителе ^Н =-10 °С ;

- температура кипения рабочего вещества в испарителе ^ = -15 °С ;

- средний температурный напор в газовом нагревателе Д1ГН = 20 °С ;

- КПД компрессора пКМ = 0,8; КПД турбины ПТ = 0,85 ; КПД насоса Г|Н = 0,9 ; КПД электрогенератора пЭГ = 0,98 ; КПД электродвигателя пД = 0,95;

- холодопроизводительность Цеу = 100 кВт.

Результаты проведенного анализа представлены в

графическом виде на рис. 11-20.

Рис. 12. Эксергетическая эффективность газового нагревателя в зависимости от максимальной температуры Т“х и давления рГН

Рис. 13. Деструкции эксергии в турбине в зависимости от

^.мах

максимальной температуры тГН и давления рГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Рис. 11. Деструкция эксергии в газовом нагревателе в зависимости от максимальной температуры Т^Н и давления рГН рабочего вещества

Рис. 14. Эксергетическая эффективность турбины в зависимости от максимальной температуры ТН и давления рГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Е

Рис. 15. Деструкции эксергии в насосе в зависимости от максимальной температуры Т™ и давления РГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Рис. 18. Эксергетическая эффективность газового охладителя в зависимости от максимальной температуры и давления рГН рабочего вещества в газовом нагревателе

мах

ТГН

Рис. 16. Эксергетическая эффективность насоса в

мах

зависимости от максимальной температуры ТГН и давления РГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Рис. 19. Деструкции эксергии в машине в зависимости от максимальной температуры ТНх и давления РГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Рис. 17. Деструкции эксергии в газовом охладителе в зависимости от максимальной температуры Т^Н и давления рГН рабочего вещества в газовом нагревателе

Рис. 20. Эксергетическая эффективность машины в зависимости от максимальной температуры ТН и давления рГН рабочего вещества в газовом нагревателе

3

Результаты анализа эксергетической эффективности элементов холодильного цикла (компрессора, дроссельного вентиля и испарителя) не показаны, так как их эксергетическая эффективность не зависит от температуры и давления в газовом нагревателе, а изменяется только с изменением температуры объекта охлаждения и окружающей среды.

4. Выводы

Деструкция эксергии в газовом нагревателе возрастает при уменьшении температуры и давления (рис. 11), что приводит к уменьшению эксергетической эффективности от 10 до 27 % в зависимости от их соотношения (рис. 12).

Деструкция эксергии в турбине возрастает при уменьшении температуры и давления в газовом нагревателе (рис. 13), что приводит к уменьшению эксерге-тической эффективности от 2 до 7 % в зависимости от их соотношения (рис. 14).

Деструкция эксергии в насосе при давлениях от 90 до 150 бар. во всем диапазоне температур в га-

зовом нагревателе остается постоянной. При переходе к более высоким давлениям в диапазоне температур 100...200 оС деструкция возрастает в 8 раз. При этих же давлениях в диапазоне температур 200.300 оС деструкция остается практически постоянной (рис. 15). Эксергетическая эффективность насоса не изменяется во всем диапазоне температур в газовом нагревателе (рис. 16).

Деструкция эксергии в газовом охладителе возрастает в 3-4 раза при повышении температуры и уменьшении давления в диапазоне 90.150 бар. в газовом нагревателе (рис. 17), что приводит к адекватному изменению эксергетичекой эффективности в 4 раза, в зависимости от их соотношения (рис. 18).

Деструкция эксергии в машине возрастает при повышении температуры и давления в диапазоне 90.160 бар. в газовом нагревателе. При этом деструкция эксергии имеет минимальное значение в диапазоне давления 160..300 бар. и диапазоне температур 220.240 ° С (рис. 19). При этих же параметрах в газовом нагревателе наблюдается максимальная эксергетическая эффективность машины (рис. 20).

Литература

1. Орехов, И. И. Абсорбционные преобразователи теплоты [Текст]: учеб. пособие / И. И. Орехов, Л. С. Тимофеевский, С. В. Караван. - Л. Химия Ленингр. - 1989. - 207 с.

2. Шумелишский, М. Г. Эжекторные холодильные машины [Текст] / М. Г. Шумелишский. - Государственное издательство торговой литературы, Москва, 1961. - 158 с

3. Чистяков, Ф. М. Холодильные турбоагрегаты [Текст] / Ф. М. Чистяков. - М.: Машиностроение, 1974. - 301 с.

4. Чистяков, Ф. Холодильный турбоагрегат с приводом от турбины работающей на холодильном агенте [Текст] / Ф. Чистяков,

А. Плотников // Холодильная техника и технология. - 1952. - № 3. - С. 16-19.

5. Баренбойм, А. Б. Холодильные центробежные компрессоры [Текст] / А. Б. Баренбойм. - Одесса, 2004. - 208 с.

6. Barenboim, А. B. Heat - using refrigeration machines for agriculture ^ext] / A. B. Barenboim, T. V. Morosuk, L. I. Morosuk // Science et technique du froid - Refrigeration science and technology. - 1998. - Vol. 6. - P. 216-220.

7. Горбенко, Г. А. Применение диоксида углерода в холодильных технологиях [Текст] / Г. А. Горбенко, И. В. Чайка, П. Г. Гакал,

Р. Ю. Турна // Технические газы. - 2009. - № 4. - С. 18-22.

8. Bitzer Ktthlmaschinenbau GmbH. [Электронный ресурс] / Обзор хладагентов. 2004 - № 13. А-501-13. - 36 с. - Режим доступа: http://ykaxolod.com.uaДile/Обзор%20хладагентов%20и%20их%20взаимозаменяемость.pdf

9. Padalkar, A. S. Carbon Dioxide as Natural Refrigerant ^ext] / A. S. Padalkar, A. D. Kadam // International journal of applied engineering research, dindigul. - 2010. - Vol. 1, № 2. - P. 261-272

10. Chen, Y. Carbon dioxide cooling and power combined cycle for mobile applications [Text] / Y. Chen, P. Lundqvist. - Paper pub. and pres. at 7 th IIR Gustav Lorentzen, Natural Working Fluids. Trondheim, Norway, 2006. - 127 р.

11. Lillo, T. Development of a Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycle: Improving PBR Efficiency and Testing Material Compatibility ^ext] / T. Lillo, W. Windes, T. Totemeier, R. Moore // Idaho National Engineering and Environmental Laboratory (INEEL). October. - 2004. - № 02-190 - 28 р. - Режим доступа: http://www.inl.gov/technicalpublications/Documents/ 2906955.pdf

12. Lee, T. Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems ^ext] / T. Lee, C. Liu, T. Chen // International Journal of Refrigeration. - 2006. - № 29. - P. 1100-1108. - Режим доступа: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700706000569

13. Sarkar, J. Review on cycle modifications of transcritical CO2 refrigeration and heat pump systems ^ext] / J. Sarkar // Journal Advanced Research Mechanical Engineering. - 2010. - № 1(1). - P. 22-29.

14. Морозюк, Т. В. Теория холодильных машин и тепловых насосов [Текст] / Т. В. Морозюк. - Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.

15. Morosuk, T. Entropy-cycle method for analysis of refrigeration machine and heat pump cycles [Text] / T. Morosuk, R. Nikulshin, L. Morosuk // THERMAL SCIENCE. - 2006. - Vol. 10, № 1. - P. 111-124.

16. Мартыновский, B. C. Анализ действительных термодинамических циклов [Текст] / B. C. Мартыновский. - М.: Энергия, 1972. - 216 с.

Е

Восточно-Европейский журнал передовых технологий ISSN 1729-3774

17. Гайдук, С. В. Методи створення схеми тепловикористальної холодильної машини з робочою речовиною діоксидом вуглецю [Текст] / С. В. Гайдук // Холодильная техника и технология. - 2014. - № 1 (147). - С. 16-23.

18. А. с. UA №72660, МПК F25B27/00. Компресорна тепловикористальна холодильна машина [Текст] / Морозюк Л. И., Гайдук С. В. // Одеська державна академія холоду. - №u201201563; заявл. 13.02.2012; опубл. 27.08.2012, Бюл. №16. - 4 с.

19. Морозюк, Л. І. Можливості створення компресорної тепловикористальної холодильної машини [Текст] / Л. І. Морозюк, С. В. Гайдук // Холодильная техника и технология. - 2012. - № 4 (138). - С. 17-21.

20. Bejan, A. Thermal Design and Optimization [Text] / A. Bejan, G. Tsatsaronis, M. Moran. - New York: John Wiley & Sons, 1996. - 542 р.

21. Тсатсаронис, Дж. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопреобразующей системы [Текст] / Дж. Тсатсаронис; пер. с англ. Т. В. Морозюк. - Одесса: Студия «Негоциант», 2002. - 152 с.

22. Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamics [Text] / A. Bejan. - New York: John Wiley & Sons; 1988. - 758 p.

--------------------□ □-----------------------

Аналізуючи гази, що надходять від газових колекторів на нафтопереробному заводі, було запропоновано математичну модель спалювання цих газів. Було розглянуто три парових котла, що працюють на один паропровід, на вхід якого можуть надходити два несертифікованих та один еталонний гази. Продуктивність пари, отриманої спаленням вуглецевого несертифіко-ваного газу, у 5 разів перевищує паропродуктивність, отриману спаленням водневмісного газу Ключові слова: математична модель, несер-тифікований газ, теплотворна здатність газу, паропродуктивність котла

□--------------------------------------□

Анализируя газы, которые поступают от газовых коллекторов на нефтеперерабатывающем заводе, была предложена математическая модель сжигания этих газов. Было рассмотрено три паровых котла, которые работают на один паропровод, на вход которого могут поступать два несертифицированных и один эталонный газ. Производительность пара, полученного сжиганием углеродного несертифицированного газа, в 5 раз превышает паропроизводитель-ность, полученную сжиганием водородсодержащего газа

Ключевые слова: математическая модель, несертифицированный газ, теплотворная способность газа, паропроизводительность котла --------------------□ □-----------------------

УДК 66-6

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЖИГАНИЯ НЕСЕРТИФИЦИРОВАННЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

М. В. Максимов

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* E-mail: prof.maksimov@gmail.com В. Ф. Ложечников Кандидат технических наук, доцент* E-mail: fontan@optima.com.ua Т. С. Добровольская Аспирант* E-mail: dobrusha88@mail.ru А. В. Бондаренко Аспирант, инженер* *Кафедра автоматизации теплоэнергетических процессов Одесский национальный политехнический университет пр. Шевченко 1, г. Одесса, Украина, 65044 E-mail: bondandrey@ukr.net

1. Введение

В последнее время большое внимание на нефтеперерабатывающих предприятиях уделяется сжиганию произвольных смесей углеводородных газов, получаемых в результате переработки нефти. Теплотворная способность таких смесей не постоянна, и ее сжигание на имеющемся топочном оборудовании не представляется возможным, так как оно рассчитано на работу с сертифицированным топливом. Как правило, такие смеси газов на нефтеперерабатывающих заводах сжигаются на так называемом «факеле» и все тепло сбрасывается в окружающую среду. Поэтому возникает

проблема эффективного сжигания на имеющемся оборудовании несертифицированного топлива с изменяющейся теплотворной способностью. Решение данной проблемы позволит существенно повысить эффективность процесса перегонки нефти, что обусловливает актуальность исследований в данной области.

2. Постановка проблемы

На предприятиях нефтепереработки технологией разделения, нагретого в печах сырья, в ректификационных колонах предусмотрено использование пара.

© , Е і. Ф. Ложечников, Т. С. Добровольская. А В. Бондаренко, 2014