Теплоутилизационные установки с детандером на основе озонобезопасных хладагентов

УДК 621.577

ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ С ДЕТАНДЕРОМ НА ОСНОВЕ ОЗОНОБЕЗОПАСНЫХ ХЛАДАГЕНТОВ

А. А. НИЖНИКОВ

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь

Введение

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью употреблен для энергоснабжения других агрегатов. Рациональное использование вторичных энергетических ресурсов является одним из крупнейших резервов экономии топлива, способствующих снижению топливо-и энергоемкости промышленной продукции. ВЭР могут применяться непосредственно без изменения вида энергоносителя для удовлетворения потребности в топливе и теплоте или с изменением энергоносителя путем выработки теплоты, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

Наибольшими тепловыми вторичными энергетическими ресурсами располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, газовой промышленности, промышленности строительных материалов, тяжелого машиностроения и некоторых других отраслей народного хозяйства. В этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов. Утилизация ВЭР высокого теплового уровня не вызывает особых трудностей, однако утилизация ВЭР среднего и низкого потенциалов сопровождается определенными трудностями, так как использование воды как наиболее дешевого и доступного рабочего тепла не позволяет в достаточной степени утилизировать низкопотенциальные ВЭР. Поэтому за рубежом широко используются теплоутилизирующие энергоустановки для выработки электроэнергии за счет утилизации средне- и низкопотенциальной теплоты (геотермальных месторождений, промышленных сбросных вод) с применением в качестве рабочих тел низкокипящих веществ различного происхождения. В качестве рабочего тела в зарубежных аналогах применяются взрывоопасные рабочие тела (пентан, бутан, метан) [1]-[3]. Однако уделяется мало внимания установкам, работающим на основе невзрывоопасных и озонобезопасных хладагентов, таким как Я404Л, Я407С, Я410А.

В публикациях, посвященных исследованиям ОЯС циклов, рассматриваются вопросы рационального выбора: параметров цикла (влияние отдельных параметров на КПД цикла [4], сверхкритический цикл [5]), рабочего тела (термомасло [1], пен-тан [3], [6], изобутан [8], Я21 [4], водоаммиачная смесь и фреоновые смеси: например, 10 % Ю3 90 % Ю3Ь [5] и др.). Турбины на НКРТ применяются в различных областях: геотермальная энергетика [4], [5], [10]-[13], утилизация ВЭР за газовыми турбинами [3], [8], [9], [15], за двигателями внутреннего сгорания [7], в промышленности производства цемента [1], стекольной промышленности [13] и др.

Основным элементом установок является турбина на НКРТ (низкокипящее рабочее тело). Разработкой таких турбин занимаются: в России - ОАО « Калужский турбинный

завод»; в Украине - ОАО «Сумское НПО им. Фрунзе», ОАО «Турбогаз» (г. Харьков). Более 25 лет выпускаются турбины на НКРТ в развитых странах, фирмы-производители: ORMATInternational, Inc (Израиль - США) [3], InfinityLLC и WOWEnergies (обе - США), Turboden (Италия) [12], Simens, Adorates и др.

Объектом рассмотрения настоящей работы является установка по утилизации ВЭР на основе турбодетандера, работающего на озонобезопасном низкокипя-щем рабочем теле.

Предметом рассмотрения настоящей работы является оценка эффективности утилизационной установки на основе турбодетандера, работающего на озонобезо-пасном низкокипящем рабочем теле.

Целью работы является оценка эффективности утилизации тепловых ВЭР с применением турбодетандеров, работающих на основе озонобезопасных хладагентов (R404A, R407C, R410A) в условиях Республики Беларусь.

Основная часть

Для утилизации вторичных энергоресурсов рассмотрим установку, действующую по прямому циклу Ренкина, в качестве рабочего тела будем использовать следующие хладагенты: R404a, R407c, R410a.

Применение схем утилизации тепла с НКРТ позволяет более глубоко использовать потенциал ВЭР. Например, минимальная начальная температура рабочего тела может достигать 80 °С [13].

Существенным преимуществом применения НКРТ в цикле являтся использование обычных сталей при производстве турбин, а также при применении НКРТ уменьшается объемный расход рабочего тела и, следовательно, уменьшаются размеры лопаток турбины.

Принципиальная схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Теплоутилизационная установка с детандером: 1 - турбодетандер; 2 - конденсатор-испаритель; 3 - насос конденсатный; 4 - испаритель; 5 - компрессор; 6 - дроссельвентиль; 7 - конденсатор холодильной машины

Принцип работы установки следующий: теплота от ВЭР передается рабочему теплу в испарителе, в котором хладагент испаряется и перегревается. В перегретом состоянии хладагент поступает в турбодетандер, в котором происходит срабатыва-

ние перегретого хладагента до насыщенного состояния. Насыщенный пар после тур-бодетандера поступает в конденсатор-испаритель, где происходит конденсация паров прямого цикла и испарение однотипного хладагента холодильной машины. Конденсат поступает в конденсатный насос, в котором происходит повышение давления до уровня испарителя утилизационной установки, и цикл замыкается. Холодильная машина в цикле необходима для осуществления замкнутого цикла утилизации ВЭР путем возврата температурного уровня до возможности охлаждения испарителя холодильной машины обыкновенной водой.

Для расчета зададимся параметрами ВЭР и примем, что количество тепла, передаваемого в испарителе, равно 1000 кВт. Для проведения расчета построим цикл установки в ¡^р-И диаграммах для различных хладагентов. Принципиальный цикл установки приведен на рис. 2. Характерные точки цикла: точка 1 - выход хладагента из детандера; точка 2 - вход хладагента в детандер; точка 3 - вход хладагента в испаритель; точка 4 - выход хладагента из конденсатора.

0 кДж/кг

Рис. 2. Теоретический цикл утилизационной установки в координатах ^р-И

Из диаграмм получим данные, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Характерные точки утилизационного цикла установки

Энтальпия характерных точек Наименование хладагента

Я404а Я407с Я410а

Прямой цикл Ренкина

И2, кДж/кг 500 554 558

И1, кДж/кг 438 478 483

И4, кДж/кг 170 178 175

Обратный цикл

И хм, кДж/кг 372 420 430

И2 хм, кДж/кг 392 449 460

И4 хм, кДж/кг 200 200 200

Для оценки эффективности цикла утилизационной установки предварительный расчет прямого цикла Ренкина проведем методом КПД. Исходными данными для-расчета по методу КПД являются узловые точки прямого и обратного циклов, построенных в осях ¡£р-Ь. Результаты расчета сводим в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета цикла утилизационной установки методом КПД

Наименование параметра Обозначение Формула Наименование хладагента

Я404а Я407с Я410а

Внутренний относительный КПД турбоде-тандера По,- _ , Из технической документации 0,9 0,9 0,9

Удельная теоретическая работа цикла ^(оь кДж/кг 1 = к2 - И1 62 76 75

Термический КПД цикла Птерм к2 - И1 Птерм I I «2 - П4 0,19 0,2 0,2

Внутренний абсолютный КПД цикла Пабс Пабс ПтермПо,' ц 0,169 0,182 0,123

Абсолютный эффективный КПД турбо-установки Пэф Пэф ПабсПтур 0,16 0,172 0,167

Абсолютный электрический КПД турбогенераторной установки Пт.у Пт.у ПэфПгенер 0,159 0,171 0,166

Работа, передаваемая внешнему потребителю /пот , кДж/кг 4от = (К - *ОПту 43,6 52,62 52,3

Теплота, поглощающаяся хладагентом в испарителе <?исп, кДж/кг ^2 0 — ^4 Яисп , Писп где Н2 0 - действительная энтальпия перегретого пара перед паропроводом к турбине 359,33 409,42 417

Абсолютный эффективный КПД теплоутилизационной установки Пабс.эф П = /пот 1абс.эф ^исп 0,121 0,128 0,125

Расчет установки методом КПД дает основание более детально рассмотреть установки, работающие на взрывобезопасных и озонобезопасных хладагентах, так как их показатели КПД сопоставимы с показателями установок, работающих на взрывоопасных хладагентах типа Я600 и др. При рассмотрении полученных данных и оценке результата следует учесть, что стоимость ВЭР мала по сравнению со стоимостью углеводородов.

Расчет действительных циклов утилизационной установки производим путем составления тепловых балансов испарителя и конденсатора. После составления тепловых балансов получим значения расчетных показателей (табл. 3).

Таблица 3

Результаты расчета цикла утилизационной установки методом балансовых уравнений

Расчетные параметры Формула Наименование хладагента

Я404а R407c R4^

Прямой цикл Карно

G хлад кг/с о Писп И - И4) 3,03 2,66 2,61

0кон кВт бкон = (И1 - И4) 812,12 797,87 804,18

Nу.у кВт N _ N - N - N , у.у т н ком' где NT, N, Nком - мощность турбины, мощность насоса, мощность компрессора 102,6 92,52 88

Обратный цикл Карно

G,È кг/с О _ бкон^кон хм_ (и - и ) \"1 х.м "4 х.м/ 4,63 3,23 3,09

0х.м кВт бх.м _ 0х.м (И1 х.м - И4 х.м ) 795,88 710,83 710,83

N ком кВт Nком ^к 0х.м, где /к - работа сжатия хладагента в компрессоре 69,41 93,70 92,72

0кон. х.м кВт п _ о (И - И ) ¿--кон. х.м х.м V 2 х.м 4 х.м ' 865,29 804,53 803,55

Таким образом, наиболее эффективной является работа утилизационной установки на хладагенте R404a, в которой количество электроэнергии, получаемой на выходе из установки, составляет 102,6 кВт и при этом мощность, затрачиваемая на сжатие хладагента в холодильной установке, является самой малой и составляет 69,41 кВт.

Однако если рассмотреть предприятия пищевой промышленности, где присутствуют в достаточном количестве тепловые ВЭР и существует необходимость в получении холода, то эффективность данной установки значительно увеличится, так как не нужно повышать параметры в конденсаторе холодильной машины до уровня 5-10 °С. Предварительная оценка показывает, что снижение температуры в конденсаторе холодильной машины на 10 °С приведет к увеличению мощности утилизационной установки на 20 % до 120,9 кВт на хладагенте R404a.

Заключение

Изучив возможность работы теплоутилизационных установок на озонобезопас-ных хладагентах, можно сделать вывод, что данные установки обладают хорошими потенциалом в области снижения расхода предприятий на топливо и электроэнергию, а также снижения теплового загрязнения атмосферы. Расчеты показывают, что эффективность установки достигает 12 % и более в зависимости от выбранных режимных параметров.

Литература

1. Legmann, H. Recovery of low grade heat by means of the ORC process in the cement industry / Hilel Legmann, David Citrin : офиц. сайт производителя - ORMAT International, Inc. [2010]. - Режим доступа:

http://www.ormat.com/sites/default/files/Recovery%20of%20low%20grade.pdf. - Дата доступа: 29.03.2016. - Загл. с экрана.

2. Пятничко, В. А. Утилизация низкопотенциального тепла для производства электроэнергии с использованием пентана в качестве рабочего тела / В. А. Пятничко, Т. К. Крушневич, А. И. Пятничко // Экотехнологии и ресурсосбережение. -2003. - № 4. - С. 3-6.

3. Энергоутилизационная установка с пентановым рабочим циклом / Ю. С. Бухолдин [и др.] // Компрессорное и энергет. машиностроение. - 2005. - № 1. - С. 10-12.

4. Огуречников, Л. А. Геотермальные ресурсы в энергетике / Л. А. Огуречников // Альтернативные энергоресурсы и экология. - 2005. - № 11 (31). - С. 59-66.

5. Редько, А. А. Термодинамические параметры геотермальной электрической станции с бинарным сверхкритическим циклом / А. А. Редько // Интегрированные технологии и энергосбережение. - 2009. - № 4. - С. 81-85.

6. Пятничко, В. А. Утилизация низкопотенциального тепла для производства электроэнергии с использованием пентана в качестве рабочего тела / В. А. Пятничко, Т. К. Крушневич, А. И. Пятничко // Экотехнологии и ресурсосбережение. -2003. - № 4. - С. 3-6.

7. Гринман, М. И. Перспективы применения энергетических установок малой мощности с низкокипящими рабочими телами / М. И. Гринман, В. А. Фомин // Энергомашиностроение. - 2006. - № 1. - С. 63-69.

8. Утилизация сбросной теплоты ГПА в энергоустановках с низкокипящими рабочими телами / Б. Билека [и др.] // Газотурбинные технологии. - 2002. - № 5. - С. 6-10.

9. Турбины геотермальные. Калужский турбинный завод : офиц. сайт производителя -ОАО «КТЗ», Калуга, [2009]: Режим доступа: http://www.ktz.kaluga.ru /russian/ turbines/table09.htm. - Дата доступа: 05.01.2010. - Загл. с экрана.

10. Поваров, О. А. Развитие геотермальной энергетики в России и за рубежом / О. А. Поваров, Г. В. Томаров // Теплоэнергетика. - 2006. - № 3. - С. 3-10.

11. Огуречников, Л. А. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии в низкотемпературной бинарной электростанции / Л. А. Огуречников // Альтернативные энергоресурсы и экология. - 2007. - № 5 (47). - С. 68-72.

12. CleanenergyaheadTurboden : офиц. сайт производителя. - Электрон. дан. (1 PDF файл, 1372552 kB, рус.). - Систем. требования: AdobeAcrobatReader. -Italy, Turbodens.r.l., [2016]: - Режим доступа: http://www.turboden.eu/en/public/press/150626_GASTURBINETECHNOLOGIES.RU %20(art.%20NR_WHR).pdf. - Дата доступа: 28.03.2016. - Загл. с экрана.

13. Экономическая эффективность утилизации низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов посредством установки турбины на низкокипящем рабочем теле / А. Л. Шубенко [и др.] // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. -2010. - № 6. - С. 12-22.

Получено 22.04.2016 г.