Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8212| Назва: | Підвищення ефективності утилізації низькопотенціальної енергії теплотехнологічних установок |
| Автори: | Плахотний, Олександр Петрович Левченко, Святослав Олександрович |
| Ключові слова: | теплотехнологічна установка;утилізація |
| Дата публікації: | 30-січ-2023 |
| Короткий огляд (реферат): | У даній роботі розглянуто підвищення енергетичної ефективності теплотехнологічних установок шляхом використання (перетворення) низькопотенційної «скидної» теплоти за рахунок удосконалення технології з урахуванням органічного циклу Ренкіна. У першому розділі розглянуті сучасні способи підвищення ефективності виробництва енергії за рахунок утилізації теплоти. Проведено огляд наукових досліджень технологій для утилізації низькопотенційної теплової енергії в електричну. Зроблено порівняння технологій перетворення низькопотенційної теплової енергії в електричну залежно від потужності установки та температури джерела тепла. Наведено приклади застосування ОЦР для утилізації тепла. У другому розділі розглянуто математичну модель та особливості установок ОЦР. Наведено термодинамічні процеси з яких складається ОЦР та елементи з яких він складається. Вибрано робочу рідину, температуру випаровування та розширювач. У третьому розділі проведено експериментальне дослідження термодинамічних процесів у дослідно-промисловій установці органічного циклу Ренкіна потужністю 4 кВт. Розглянуто принципи та особливості роботи установки. Проведено розрахунок та проектування установки ОЦР потужністю 4 кВт та аналіз результатів експериментальних досліджень термодинамічних процесів. У четвертому розділі проведено техніко-економічний аналіз впровадження утилізації низькопотенційної теплоти на теплотехнічних об’єктах. Наведено 5 варіанти впровадження установок ОЦР на теплотехнічні об’єкти. Зроблено проектування вузла утилізації на ТЕЦ. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8212 |
| Розташовується у зібраннях: | 144 Теплоенергетика (Теплоенергетика) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Левченко.pdf Restricted Access | 3.17 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
В.о. завідувача кафедри енерготехнологій
_______________ (Г.Є. Калєйніков)
“___” __________ 2022 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УТИЛІЗАЦІЇ НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ
ЕНЕРГІЇ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
МКР 20.144.22 ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи: Левченко С.О.
_______________________________________________________________________________________________
(підпис, дата)
Науковий керівник: д.т.н., доцент Плахотний О.П.
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Рецензент:
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2022 р.
1
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
В.о. завідувача кафедри енерготехнологій
_______________ (Г.Є. Калєйніков)
“___” __________ 2022 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ УТИЛІЗАЦІЇ НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ
ЕНЕРГІЇ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК
МКР 20.144.22
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи: Левченко С.О.
_______________________________________________________________________________________________
(підпис, дата)
Науковий керівник: д.т.н., доцент Плахотний О.П.
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Рецензент:
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2022 р.
2
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
В.о. завідувача кафедри енерготехнологій
________________ (Г.Є. Калєйніков)
“____” _____ 2022 р.
ЗАВДАННЯ
до магістерської кваліфікаційної роботи Левченка Святослава Олександровича
(прізвище, ім’я та по-батькові студента)
1. Тема: Підвищення ефективності утилізації низькопотенційної енергії теплотехнологічних
установок
Затверджена наказом ректора університету від “ ” ________2022 р., №
2. Термін здачі студентом завершеної роботи __________2022 р.
3. Вихідні дані: енергетичні установки на підприємствах промислової енергетики.
Характеристики технології утилізації теплоти на основі ОЦР.
4. Перелік питань, які повинні бути розроблені в роботі:
1. Провести аналіз розвитку технологій використання
низькопотенційної енергії промислових та енергетичних об'єктів;
2. Розробити методику оцінки енергетичної ефективності
утилізації з урахуванням особливостей технології ОЦР;
3. Здійснити моделювання термодинамічних процесів
утилізації теплоти газів на тепло-технологічних об'єктах.
4. Експериментально досліджувати термодинамічні процеси в
дослідно-промислової установки ОЦР на 4 кВт.
5. Розробити рекомендації щодо вдосконалення конструкції
установок ОЦР, що забезпечують надійність та безпеку протікаючих
термодинамічні процеси.
6. Підвищити енергетичну ефективності тепло-технологічних установок шляхом
використання (перетворення) низькопотенційної «скидної» теплоти за рахунок удосконалення
технології з урахуванням органічного циклу Ренкіна.
5. Перелік графічного матеріалу: тема роботи та задачі дослідження, актуальність роботи,
проста термодинамічна система з утилізацією, основні джерела відпрацьованого тепла та
технології відновлення, схема циклу Калини, схема органічного циклу Ренкіна, залежності
ККД від потужності та потужності від температури, P-H діаграма циклу ОЦР на 4 кВт,
технологічна схема установки ОЦР на 4кВт, порівняння експериментальних показників
енергетичної ефективності з теоретичним, залежність ефективності ОЦР від температури
джерела теплоти, калькулятор властивостей робочих рідин, основні виробники установок
ОЦР, залежності ККД від потужності та потужності від температури органічного циклу
3
Ренкіна(ОЦР), термоелектричних генераторів (ТЕГ) та двигуна Стірлінга, схеми
розташування кривої насичення за різних видів утилізації, розрахунок параметрів утилізації
прийнятих робочих тіл за температури випаровування 105°С, розрахунок параметрів
утилізації прийнятих робочих тіл за температури випаровування 90°С, розрахунок параметрів
утилізації фреону R12 при температурах випаровування 90-95°С, модель установки ОЦР на 4
кВт, дослідно-промислова установка ОЦР на 4кВт, вимірювачі, що використовуються для
дослідження, залежність ефективності ОЦР від температури джерела теплоти, вплив
навантаження на ККД розширювача при температурі випаровування 85-92°С, котел тривалого
горіння Heizer TRIO, параметри низькопотенційного джерела тепла, вибір оптимальної
температури випаровування фреону R142b, вплив температури випаровування фреону R142b
на відновлення теплоти, калькулятр властивостей програми SmoWeb, схема КВП установки
ОЦР 4 кВт, 3D модель утилізатора, креслення основного виду утилізатора, вид спереду та
зверху утилізатора.
6. Консультанти з роботи з зазначенням розділів роботи, які їх стосуються
Підпис, дата
завдання
Розділ Консультант завдання видав
прийняв
Розділ 1, 2, 3
ОП та безпека в Цікановський
НС Л.В.
Нормоконтроль
7. Дата видачі завдання “_____”______. 2022 р.
Керівник _____________________
Завдання прийняв до виконання _________________
4
АНОТАЦІЯ
На магістерську роботу на тему: "Підвищення ефективності утилізації
низькопотенційної енергії теплотехнологічних установок”.
Виконавець: ст.гр.мТЕ-78 Левченко Святослав Олексанрович
Керівник: д.т.н., доцент Плахотний Олександр Петрович
Захищено: "____"____________2022р.
____с.; ___рис.; ___таблиць; ____літературних джерел, ___плакатів
формату А4.
У даній роботі розглянуто підвищення енергетичної ефективності тепло-
технологічних установок шляхом використання (перетворення)
низькопотенційної «скидної» теплоти за рахунок удосконалення технології з
урахуванням органічного циклу Ренкіна.
У першому розділі розглянуті сучасні способи підвищення ефективності
виробництва енергії за рахунок утилізації теплоти. Проведено огляд наукових
досліджень технологій для утилізації низькопотенційної теплової енергії в
електричну. Зроблено порівняння технологій перетворення низькопотенційної
теплової енергії в електричну залежно від потужності установки та
температури джерела тепла. Наведено приклади застосування ОЦР для
утилізації тепла.
У другому розділі розглянуто математичну модель та особливості установок
ОЦР. Наведено термодинамічні процеси з яких складається ОЦР та елементи з
яких він складається. Вибрано робочу рідину, температуру випаровування та
розширювач.
У третьому розділі проведено експериментальне дослідження термодинамічних
процесів у дослідно-промисловій установці органічного циклу Ренкіна
потужністю 4 кВт. Розглянуто принципи та особливості роботи установки.
Проведено розрахунок та проектування установки ОЦР потужністю 4 кВт та
аналіз результатів експериментальних досліджень термодинамічних процесів.
У четвертому розділі проведено техніко-економічний аналіз впровадження
утилізації низькопотенційної теплоти на теплотехнічних об’єктах. Наведено
5
варіанти впровадження установок ОЦР на теплотехнічні об’єкти. Зроблено
проектування вузла утилізації на ТЕЦ.
6
ЗМІСТ
Завдання........................................................................................................................2
Зміст..............................................................................................................................6
Вступ………………………………………………………………………………….9
Наукова новизна та основні положення, що виносяться на захист……………..10
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНІ СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ ЗА РАХУНОК УТИЛІЗАЦІЇ
ТЕПЛОТИ……...13
1.1 Термодинамічний ефект від утилізації
тепла………………………..…..……14
1.2 Огляд наукових досліджень технологій для утилізації низькопотенційної
теплової енергії в електричну…………………………………………………...…17
1.2.1 Органічний цикл
Ренкіна………………………………………………………………………………20
1.2.2 Цикл Калини……………..…….……………………………………………..21
1.2.3 Двигун
Стірлінга……...………………………………………………………23
1.2.4 Термоелектричні
генератори……………………………………..……………………………………24
1.2.5 Порівняння технологій……………………………………………………….25
1.3 Сучасні дослідження впливу різних параметрів на ефективність ОЦР…….25
1.4 Приклади застосування ОЦР для утилізації тепла…………………….……..38
1.5 Висновки по розділу та постановка завдання дослідження…………………41
МР .07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Роз роб. Левченко а
Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний
Зміст
Реценз.
Н. Контр. магістерської роботи
ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
7
Розділ 2 МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА ОСОБЛИВОСТІ
УСТАНОВОК ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА…………………………45
2.1 Термодинамічні процеси з яких складається ОЦР……………...……………45
2.2 Математична модель елементів
ОЦР………………………………………….46
2.2.1 Випарник……………………………………………………..……………… 47
2.2.3 Регенеративний теплообмінник……………………………………………..49
2.2.4 Турбіна/Розширювач…………………………………………………………50
2.2.5 Насос………………………………………….……………………………….52
2.2.6 Генератор……………………………...………………………………………53
2.2.7. Параметр стану робочого тіла………………………………………………54
2.2.8 Енергетична оцінка
ефективності………………………………………………………………………..55
2.3 Вибір робочої рідини для ОЦР…………………………………………...…....55
2.3.1 Математична модель…………….…………………………….………..……55
2.3.2 Порядок вибору робочої рідини та температури випаровування…………62
2.4 Вибір типу турбіни/розширювача……………………………………….…….64
2.5 Моделювання процесів в елементах ОЦР та вибір робочого тіла…………..67
2.5.1 Моделювання термодинамічних процесів в елементах ОЦР……………...70
2.6 Висновки за розділом 2……………………...…………………………………76
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Розроб. Левченко а
Літ. Арк. Акрушів
Пере вір. Плахотний Зміст
Реценз.
Н. Контр. магістерської роботи
ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
8
РОЗДІЛ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ДОСВІДНО-ПРОМИСЛОВОЇ
ВСТАНОВЛЕННІ ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА НА
4кВт…….……77
3.1 Принцип та особливості роботи установки…………………………………..78
3.2 Розрахунок та проектування установки ОЦР потужністю 4
кВт……………79
3.3 Методика експериментального дослідження та використовуване
обаднаня.84
3.4. Оцінка похибки вимірів……………………………………………………….86
3.5. Аналіз результатів експериментальних досліджень термодинамічних
процесів……………………………………………………………………………..88
Висновки за розділом 3………………………………….…………………………92
РОЗДІЛ 4 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ АНАЛІЗ ВПРОВАДЖЕННЯ
УТИЛІЗАЦІЇ НИЗКОПОТЕНЦІЙНОЇ ТЕПЛОТИ НА
ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТАХ……………………..93
4.1 Варіанти впровадження установок ОЦР на теплотехнологічні об'єкти…….94
4.2 Котельні……………….…………………………………..…………………….96
4.3 Теплові електричні
станції………………………...………………..…...……100
4.4 Проектування вузла утилізації на
ТЕЦ………………………………………108
4.5 Висновки за розділом 4……………………………………………………….112
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І
ВИСНОВКИ……………………………………..113
Розділ охорони праці та безпеки в надзвичайних ситуаціях……………….115
Перелік літератури………………………………………………………………134
Рекцензія…………………………………………………………………….……..138
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Розроб. Левченко а
Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний Зміст
Реценз.
Н. Контр. магістерської роботи
ЧДТУ, мТЕ-78
9
Відгук………………………………………………………………………………141
Вступ
Об'єкт досліджень – енергетичні установки на підприємствах промислової
енергетики.
Предмет досліджень – характеристики технології утилізації
теплоти на основі ОЦР.
Мета роботи – підвищення енергетичної ефективності тепло-
технологічних установок шляхом використання (перетворення)
низькопотенційної «скидної» теплоти за рахунок удосконалення технології з
урахуванням органічного циклу Ренкіна.
Для досягнення поставленої мети вирішено такі завдання:
1. Проведено аналіз розвитку технологій використання
низькопотенційної енергії промислових та енергетичних об'єктів;
2. Розроблено методику оцінки енергетичної ефективності
утилізації з урахуванням особливостей технології ОЦР;
3. Здійснено моделювання термодинамічних процесів
утилізації теплоти газів на тепло-технологічних об'єктах.
4. Експериментально досліджено термодинамічні процеси в
дослідно-промислової установки ОЦР на 4 кВт.
5. Розроблено рекомендації щодо вдосконалення конструкції
установок ОЦР, що забезпечують надійність та безпеку протікаючих
термодинамічні процеси.
10
Методологія та методи дослідження. Експериментальні дослідження
проводилися на дослідно-промисловій установці з застосування стандартних
сертифікованих засобів вимірювання.
Визначення термодинамічних параметрів проводилося з використанням
розробленої комп'ютерної моделі термодинамічних процесів,
побудованою на базі ліцензійного програмного продукту SmoWeb.
Наукова новизна та основні положення, що виносяться на захист:
1. Удосконалено методику визначення робочого тіла для технології ОЦР –
запропонований критерій, що дозволяє визначити мінімальну температуру
насичення робочого тіла, необхідну для повної утилізації теплоти
2. Запропоновано модель термодинамічних процесів в установках ОЦР,
система рівнянь та крайові умови, що враховують конфігурацію ОЦР,
вибір типу утилізації теплоти, вплив температури випаровування та типу
розширювача на ефективність та повноту утилізації. Показано, що модель
адекватно відбиває результати експериментальних досліджень.
3. Встановлено кількісні залежності впливу термодинамічних параметрів на
ефективність роботи системи ОЦР з робочим тілом R142b – визначено:
залежність ефективності ОЦР від температур: гріючого середовища, холодного
джерела, випаровування та конденсації та оптимальна температура
випаровування з урахуванням повноти утилізації та ефективності ОЦР.
Значення теорії. Запропоновано методику визначення
енергетичних та економічних показників утилізації теплоти на
енергетичних та промислових об'єктах з урахуванням знайденого критерію,
що дозволяє визначити мінімальну температуру насичення робітника
тіла, необхідну для повної утилізації теплоти.
11
Практична значимість результатів роботи полягає в розроблення схеми
здійснення утилізації (перетворення) низькопотенційної теплоти на
теплотехнологічних об'єктах, що враховують тип утилізації та особливості
технології ОЦР. Для інженерної практики розроблено методику оцінки техніко-
економічного ефекту від впровадження установок ОЦР різної конфігурації на
підприємствах кольорової металургії та промислової енергетики. Розроблено
режими роботи та раціональна конструкція установки ОЦР, що працює на
робочому тілі R142b, що дозволяють отримати додаткову енергетичну
потужність при утилізації теплоти на теплотехнологічних об'єктах.
Достовірність одержаних результатів підтверджується задовільною збіжністю
результатів розрахунку термодинамічних параметрів у програмному продукті
SmoWeb з експериментальними даними під час апробації розрахункових
моделей. Висновки досить добре корелюють з результатами, отриманими
іншими дослідниками, і не суперечать фізичним закономірностям у суміжних
галузях знань.
Особистий внесок автора. Автору належать: формалізація поставлених завдань,
узагальнення, аналіз результатів. Положення, складові новизну, наукові та
практичні результати магістерської розроблено та отримано автором особисто.
Постановка завдань та аналіз результатів обговорювалися разом із науковим
керівником. У спільних публікаціях внесок автора становить від 50 до 75 %.
Більшість споживання енергії припадає на викопне паливо.
Викопне паливо є вичерпним та єдиним джерелом вуглекислого газу CO2,
використання його як основне джерело енергії тягне за собою глобальне
потепління і, в кінцевому рахунку, зміна клімату. Вичерпність та шкода
навколишньому середовищу змушують світових лідерів переходити на
альтернативні способи отримання енергії, щоб зменшити негативний вплив на
довкілля.
Скорочення споживання викопного палива може бути досягнуто або
заміщенням частини вироблення енергії альтернативними джерелами, або
12
збільшення енергоефективності виробництва енергії за рахунок утилізації
вихідної теплової енергії.
У цій роботі запропоновано рішення за напрямами науково-
технічного прогресу у теплоенергетиці:
• створення нових поколінь енергообладнання;
• забезпечення необхідного рівня промислової безпеки
енергетичного устаткування.
• створення невеликих установок з комбінованого виробництва електричної
енергії та тепла (когенерація) з використанням поршневих двигунів, газових
турбін (ТЕЦ малої та середньої потужності, міні-ТЕЦ).
13
РОЗДІЛ 1.
СУЧАСНІ СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ ЗА РАХУНОК УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Р а
озроб. Левченко РОЗДІЛ 1 Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний СУЧАСНІ СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ
ЕФЕКТИВНОСТІ ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ
Р еценз. ЗА РАХУНОК УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ
Н. Контр. ЧДТУ, мТЕ-78
З атверд. Калєйніков
14
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНІ СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ
ВИРОБНИЦТВА ЕНЕРГІЇ ЗА РАХУНОК УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ
1.1 Термодинамічний ефект від утилізації тепла
Незважаючи на економічні та екологічні переваги утилізації тепла, вона також
має термодинамічний ефект. Термодинамічно, утилізація тепла допомагає не
лише покращити коефіцієнт використання енергії системи, а також
мінімізувати збільшення ентропії.
Мінімізація збільшення ентропії – це відносно новий термодинамічний
принцип, що ґрунтується на другому законі термодинаміки. Згідно з другим
законом термодинаміки, ентропія ізольованої системи не може зменшуватися:
dS ≥ 0
Для систем, які взаємодіють із середовищем, збільшення ентропії - це причина
незворотності в системі, що породжує втрати продуктивність. Ця незворотність
чи втрата продуктивності відбувається, коли система збільшує ентропію
середовища внаслідок втрати тепла. Незворотність може бути знижена шляхом
зменшення втрат енергії в системі.
Розглянуто просту термодинамічну систему, де теплота підводиться для
одержання гарячої води на опалення, а невикористана частина тепла
викидається у довкілля.
15
Термодинамічний коефіцієнт використання енергії, або термічний ККД (ƞt1)
системи обчислюється, як:
де QIN – тепло, що підводиться при температурі, TIN
QUH – корисна теплота для опалення при температурі, TUH
QWH - скидна теплота при температурі, Tα
Відповідно до другого закону термодинаміки зміна ентропії у системі
визначається як:
1.Вирази ентропії визначаються так:
Підставивши їх у рівняння 1., отримаємо:
Поділивши цей вираз на інтервал часу, отримаємо:
16
Зміна ентропії навколишнього середовища виражається як
Додавши до розглянутої системи утилізацію тепла отримаємо:
Мал. 1.4 - Проста термодинамічна система з утилізацією
При (dS)W = 0 зміна ентропії системи з утилізацією збігається із звичайною
системою (вираз 1.3):
Зміна ентропії довкілля визначається як:
При зменшенні теплоти, що скидається, від утилізації, (QEX < QWH),
також зменшується зміна ентропії довкілля. Отже, додавання утилізації тепла
до системи збільшує термодинамічний коефіцієнт використання енергії (ƞt )
17
Додавання утилізації теплоти в систему має економічні, екологічні та
термодинамічні переваги перед звичайною системою.
1.2 Огляд наукових досліджень технологій для утилізації
низькопотенційної теплової енергії в електричну
Тепло, що йде, після процесу горіння або будь-якого хімічного, або
термічного процесу є скидним теплом, оскільки воно зазвичай
викидається у навколишнє середовище. Теплота відпрацьована після
промислового процесу становить близько 20-50% від підведеного тепла. У
у деяких випадках відновлення відпрацьованого тепла може підвищити
енергоефективність системи приблизно 10-50%.
Промислові процеси, теплові двигуни та механічне обладнання є
основними джерелами відпрацьованого тепла. Технологія рекуперації низько
потенційного тепла та скидного тепла не тільки підвищує ефективність
системи, а й знижує вплив зміну клімату, а також знижує вартість енергії.
Ключовими факторами, визначальними можливість використання низько
потенційної теплової енергії, є швидкість потоку, температура, тиск, хімічний
склад, допустима температура та допустиме падіння тиску джерела
тепла. Основні джерела відпрацьованого тепла та відповідні технології
утилізації наведено у таблиці 1.1.
Таблиця - 1.1 Основні джерела відпрацьованого тепла та технології
відновлення.
Потенціал Джерело енергії Температура Технологія
ідучих відновлення
18
газів (°C) тепла
Високий Нікелева піч 1370–1650 1. Попередній
(>650 °C) Сталева 1370–1650 підігрів повітря
електродугова піч 1200–1250 для
Основна киснева 760–820 горіння
піч 930–1040 2. Генерація пари
Пекти для 650–980 для
переробки міді 1300–1540 технологічного
Сталева нагріву
нагрівальна піч або для
Водневі установки механічних /
Скляна плавильна електричних робіт
піч 3. Перенесення в
середні-низько
температурні
процеси
Середній Котел-утилізатор 230–480 1. Попередній
(230-650 ° C) Вихлоп газової 370–540 підігрів повітря
турбіни 320–590 2. Виробництво
Вихлоп 430–650 пари /
поршневого 230–590 електроенергії
двигуна 450–620 3. Органічний
Термічна піч цикл
Сушильні та Ренкіна
пекарні печі 4. Підігрів печі
Цементна піч 5. Попередній
19
підігрів поживної
води
6. Перехід до
низькотемператур
ним
процесам
Низький (30- Гази, що йдуть, з 70–230 1. Просторове
230 °C) газових опалення
котлів, етиленових 30–50 2. Нагрівання води
печей тощо. 70–250 з
Охолоджуюча 30–50 за допомогою
вода, 70–120 теплового насоса
конденсуюча 30–40 для збільшення
технологічна пара 90–230 температури
від 30–230 3. Органічний
вихлопу печей 120-180 цикл
Печей Ранкіна
випалювання 4. Цикл Калини
Повітряні 5.Термоелектричні
компресори генератори
двигун 6.Двигун Стірлінга
внутрішнього
згоряння
Кондиціонери та
холодильні
конденсатори
Печі для сушіння,
випічки
20
Рідини/тверді
речовини
гарячої обробки
Теплота анодних
газів після
електролізера
Виробництво електроенергії із низькотемпературного джерела теплоти (нижче
250 °C) має технічне та техніко-економічне обмеження та обмежений вибір
низькотемпературних теплових двигунів, таких як органічний цикл Ренкіна,
цикл Калини, термоелектричних перетворювачів та двигуна Стірлінга.
1.2.1 Органічний цикл Ренкіна
Органічний цикл Ренкіна (ОЦР) представляє собою цикл Ренкіна з
використанням як робоче тіло не пара, а органічного теплоносія. Ця ідея
використання органічної рідини вперше була запропонована ще в далекому
1823 р.
Принципова схема роботи та T-S діаграма представлена на (рис.
1.5). Низькокипляча органічна робоча рідина забирає теплоту від
джерела у випарнику, в результаті робоче тіло випаровується. Пари робочої
рідини після випарника направляються в турбіну, яка є приводом
електрогенератори. Пара при нижчому тиску з випускного отвору
розширювача прямують у конденсатор, де конденсуються. Зрештою,
21
рідке робоче тіло за допомогою насоса направляється назад у випарник, та
процес знову повторюється.
Мал. 1.5 - Схема органічного циклу Ренкіна:
1-випарник; 2-турбіна; 3-конденсатор; 4-живильний насос.
Хоча вартість звичайного парового циклу Ренкіна нижча, ніж у ОЦР
здатність ОЦР працювати за низької температури утилізованого тепла
робить його кращою технологією для використання низько потенційних
температур. Ще одна важлива перевага ОЦР над звичайним циклом
Ренкіна це тип робочого тіла, органічні рідини, мають нижчу
температуру випаровування, ніж у води (Рис. 1.6), високий рівень перегріву
від джерела теплоти, а також після процесу розширення перебувають у зоні
перегрітої пари.
При використанні води в останніх щаблях турбіни
буде стан вологої насиченої пари і як наслідок виникатиме
ерозія на робочих лопатках.
22
Мал. 1.6 – T-s діаграма води та деяких органічних робочих тіл
1.2.2 Цикл Калини
Найпростіша схема енергоустановки (рис. 1.7) містить підігрівач розчину
(економайзер) 1, в якому водоаміачна суміш нагрівається до точки кипіння, і
десорбер 2, де відбувається кипіння (спочатку при більш низької температури
кипить аміак, а в міру зниження концентрації аміаку у розчині температура
кипіння підвищується).
Далі водоаміачна суміш направляється в сепаратор 3, де відбувається
відділення фаз, а потім пара подається на турбіну 4, що є приводом
електрогенератора 5. Слабкий (з меншою концентрацією аміаку) розчин з
сепаратора 3 через
дросельний клапан 6 надходить на змішання з парою, що відпрацювала на
23
вихлоп з турбіни 4. Далі після конденсації в абсорбері 7 міцний розчин
поживним насосом 8 знову подається в підігрівач 1.
Рис. 1.7- Схема циклу Калини:
1-економайзер; 2-десорбер; 3-сепаратор; 4-турбіна; 5-електрогенератор
6 дросельний клапан; 7-адсорбер; 8-живильний насос.
Оскільки температура кипіння рідкої суміші змінюється, коли випаровується
аміак, різниця температур між джерелом тепла та водоаміачним розчином може
бути зменшена. В цілому, кількість тепла, що утилізується, в циклі Калини,
більше ніж у парових циклах.
Інвестиційна вартість циклу Калини вища, ніж для парового циклу.
Продуктивність циклу Калини покращується за рахунок збільшення різниці
тисків при розширенні, аналогічно циклу Ренкіна. Для заміни дросельної
заслінки та абсорбера в циклічній системі Калини використовується ежектор.
Для певного тиску турбіни потрібно визначити оптимальну концентрацію
аміаку, що дає максимальну ефективність циклу.
Для системи утилізації тепла з одним джерелом енергії до 150° ОЦР
демонструє кращу продуктивність, ніж цикл Калини. Як і раніше існують різні
проблеми у розвитку циклу Калини, одне з них - це підвищення продуктивності
циклу обмежено високим тиском під час конденсації. А також оскільки
вироблення електроенергії з геотермальних матеріалів є єдиним успішним
24
застосуванням циклу Калини, поки не вдається застосувати цикл Калини при
високій температурі (понад 700 K).
1.2.3 Двигун Стірлінга
Термодинамічний цикл Стірлінга показує теоретичний термічний ККД, рівний
циклу Карно, що дозволяє ефективно перетворювати теплову енергію на
механічну. Крім того, двигун Стірлінга широко відомий своїм довгим терміном
служби двигуна та низьким рівнем шуму. Автор досліджував динамічну модель
шляхом чисельного аналізу та визначив, що потужність сильно залежить від
конструкції двигуна Стірлінга. Вільні поршневі двигуни Стірлінг також
вивчалися в інших роботах.
Автор представив аналіз здійсненності сонячної вежі з двигуном Cтирлінга, в
порівнянні з традиційними енергосистемами, та провів аналіз чутливості. Були
представлені умови технічно обґрунтованого та економічно обґрунтованого
рішення. Розрахункові параметри типової системи полягали в тому, що робоча
рідина була із тиском 20 МПа, а робоча температура становила 993,15 K.
Ці високотемпературні сонячні теплові електростанції на основі двигуна
Стірлінга можуть стати конкурентним варіантом на ринку електроенергії,
Автор проаналізував математичну модель загального теплового ККД
високотемпературного диференціального тарілчастого двигуна із
перемішуванням на сонячних батареях, що дозволило оптимізувати
температуру поглинача близько 1100 К, а коефіцієнт концентрації становив
1300. Тепловий ККД в оптимізованому варіанті становив 34%, що знаходиться
недалеко від відповідної ефективності Карно близько 50%.
Автором була представлена оцінка двигунів Стірлінга та
надкритичних вуглекислих турбін, які використовуються в гібридних
системах, що складаються з високотемпературних розплавлених карбонатних
паливні елементи. Двигуни Стірлінга доступні в невеликому масштабі. У
порівнянні з іншими технологіями двигуни Стірлінга ефективно працюють при
25
температурі > 650 °С, що робить їх мало цікавими для утилізації низько
потенційної теплоти.
1.2.4 Термоелектричні генератори
Термоелектричні генератори (ТЕГ) - це пристрої, які перетворюють теплову
енергію на електричну. Ці пристрої працюють по ефект Зеєбека, який був
виявлений Томасом Йоганном Зеєбеком в 1821 року. Нещодавно підвищення
ефективності цих пристроїв були додано напівпровідникові pn-переходи, які
складаються з нових матеріалів, таких як BiTe (телурид вісмуту), CeFeSb, ZnBe
(цинк- берилій), SiGe (кремній-германій), SnTe (телурид олова) та нові
нанокристалічні або нанодротяні термоелектричні генератори, ефективність
яких сягає 5-8%.
Хоча ТЕГ мають багато переваг, такі як екологічно чисте виробництво енергії,
відсутність звуку, відсутність рухомого компонента та меншими витратами
на обслуговування, проте вони економічні при використанні на високих
температурах (> 200 ° C), і коли необхідно невелика кількість енергії
(Декілька милливатт). Переваги TEG спонукали багатьох дослідників
використовувати його для утилізації теплових відходів автомобілів.
Наприклад, Автор вивчив два випадки регенерації тепла відпрацьованих
газів із використанням ТЕГ. Крім того, Автори показали, що використання ТЕГ
незначно впливає на продуктивність двигуна, та воно може покращити
потужність двигуна 0,1-1%. В іншому дослідженні Автори показали, що коли
вихлопні гази проходять через теплообмінник з ТЕГ, кінетична енергія з газів
втрачається і викликає збільшення аеродинамічних втрат, що знижує
продуктивність двигуна.
1.2.5 Порівняння технологій
Авторами було зроблено порівняння технологій перетворення
низькопотенційної теплової енергії в електричну залежно від потужності
установки та температури джерела тепла. На (рис. 1.8) представлені залежності
ККД від потужності та потужності від температури органічного циклу Ренкіна
26
(ОЦР), термоелектричних генераторів (ТЕГ) та двигуна Стірлінга. Цикл Калини
не представлений на цій діаграмі так як його сфера застосування схожа з ОЦР,
але в ефективності, доступності та наукової опрацьованості він йому
поступається.
Як показано на малюнку для утилізації низькопотенційної теплової
енергії найбільш підходящою та зрілою є технологія органічного циклу
Ренкіна. Областю дослідження дисертації є технологія перетворення
низькопотенційної теплової енергії в електричну на підставі органічного циклу
Ренкіна (рис. 1.8).
1.3 Сучасні дослідження впливу різних параметрів на ефективність ОЦР
У літературі представлено багато досліджень щодо використання технології
ОЦР для перетворення скидної теплоти на електроенергію. Авторами виконані
дослідження з аналізу продуктивності та оптимізації ОЦР для утилізації
теплоти від вихлопних газів, вони дійшли висновку, що температура і масова
витрата газів впливає на ефективність та потужність установки. Вони також
дійшли висновку, що потужність установки зменшується при збільшенні
навколишньої температури середовища.
Авторами була зроблена робота з параметричної оптимізації та порівняльного
вивчення ОЦР для низького ступеня утилізації тепла, вони вважають, що
27
підвищення температури на вході в турбіну не завжди вироблятиме відповідне
збільшення потужності на виході турбіни, особливо з робочими рідинами з
позитивним нахилом кривою насичення.
У статті розроблено та апробовано модель спірального розширювача в
технології ОЦР. Вони припустили, що зміни типу двигуна, на розширювач є
більш придатним для ОЦР малої потужності, тому що вони характеризуються
меншою витратою, більше високим коефіцієнтом тиску та значно меншою
швидкістю обертання, ніж турбомашини.
Дослідники провели інтеграцію процесу вивчення базових та модифікованих
ОЦР за допомогою 16 різних органічних рідин. Вони дійшли висновку, що
рідини з позитивною кривою нахилу є найбільш кращими для установки ГРЦ,
яка використовує джерела низькопотенційної теплоти Причиною їхнього
вибору було те, що вони показують високий тепловий ККД та їх стан при
розширенні завжди перегріте, дозволяючи ввести регенерацію для підвищення
теплової ефективності. Вони також виявили, що ККД системи ОЦР може бути
значно збільшено за допомогою регенерації.
Вони зазначили, що через присутності неконденсуючих компонентів у робочій
рідині, таких, як повітря можуть виникнути технічні проблеми, пов'язані з
перенесенням теплоти, що надають негативний вплив на термодинамічний
ефективність процесу. Авторами запропоновано, розроблено, виготовлено та
випробувано система із сонячних колекторів та органічного циклу Ренкіна з
поршневою турбіною на робочому тілі R245fa. Вони виявили, що їх
розроблений комбінований модуль працював стабільно, а також що
продуктивність вакуумного трубчастого сонячного колектора більша, ніж у
плоских колекторів.
Було зазначено, що ефективність системи ОЦР може бути покращена за
рахунок роботи в закритій галузі; проте, результати їхньої моделі не був
підтверджено за допомогою експерименту. Дослідниками проводилася робота з
утилізації відпрацьованих відходів тепла від газової турбіни МГД генератора
вироблення електроенергії за допомогою ОЦР, з використанням R123 як робоча
28
рідини. Вони дійшли висновку, що ефективність системи зростає з
наближенням температури на вході в турбіну до температури на виході з
джерела тепла.
Авторами проаналізовано низькотемпературну сонячну колектор та установка
генерує електроенергію на основі ОЦР з регенерацією, і виявлено, що для даної
системи, температури випаровування і температури навколишнього
середовища, ефективність колектора знизилася, так як підвищилася
температура регенерації Вони також виявили, що оптимальна температура
регенерації, за якої досягається максимальна ефективність ОЦР лежить між
температурою конденсації та випаровування. Вони дійшли висновку, що
загальна ефективність системи регенеративного циклу більше, ніж звичайного
циклу. Дослідниками було проведено порівняння трьох різних робочих рідин
(бензолу, R11 і R134a), коли вони використовувалися в трьох різних ОЦР
циклах як нижній цикл для двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ). Вони
виявили, що рідини з нижньою критичною температурою, викликали
збільшення різниці температур вихлопного газу та робочої рідини у випарнику
і, отже, породили незворотність, яка вплинула на продуктивність системи. Вони
також встановили, що продуктивність бензолу була завжди кращою, ніж R134a
з нижчою критичною температурою.
Автори розглянули комбіновану систему, де ОЦР з
різними органічними робочими рідинами був використаний в
як надбудова для сучасної високо ефективної газової турбіни,
як рекуператор газовий турбіни. Їх комбінований цикл, заснований на
даних комерційних газових турбін та ОЦР показав, що ОЦР це
цікавий та конкурентоспроможний варіант у поєднанні з високим ККД
газових турбін і низької температури газів.
Дослідники провели термодинамічний аналіз 31 робочої рідини для ОЦР,
використовуючи основу рівняння стану. Вони виявили, що теплова
ефективність рідини з негативним кутом нахилу значно зростає при поєднанні
перегріву із системою регенерації, а рідини з позитивним кутом нахилу
29
знижується при перегріві. Вони також зазначили, що без регенерації, утилізація
джерела теплоти з великою температурою є неефективною.
Наявність водневих зв'язків у певних молекулах, таких як вода, аміак, етанол,
що призводять до негативного кута нахилу через великий теплоти
пароутворення вважаються невідповідними для систем ОЦР.
Вони також дійшли висновку, що залежність термічного ККД від робітників
рідин – це функція від критичної температури.
З їх висновком також згодні, які дійшли висновку, що теплова ефективність
робочої рідини зменшується зі зниженням критичної температури. Вони
підтвердили, що максимальне значення загальної ефективності рекуперації
тепла відбувається відповідно до температури кипіння, яка лежить між
температурою тепла, що йде, і температурою конденсації. Вони також виявили,
що максимальне значення повної рекуперації тепла підвищує температуру
тепла, що йде; проте вона може бути зменшена при використанні робочої
рідини із меншою критичною температурою.
Автори провели дослідження з метою вивчення придатності 11 різних
органічних робочих рідин для системи ОЦР, що використовується для
отримання низькопотенційного скидного тепла від перетворення теплової
енергії океану (OTEC) системи. Вони підрахували ефективність системи ОЦР,
заснованої на припущенні, що робоча рідина входить до турбіну в стані
насиченої пари.
Вони підрахували ефективність системи ОЦР, заснованої на припущенні, що
робоча рідина входить до турбіну в стані насиченої пари. І виявили, що три
фактори рідини, які вплинули на продуктивність системи ОЦР були: нахил
Кривої насичення, питома теплоємність та прихована теплота пароутворення.
Вони дійшли висновку, що рідини з негативної кривої насиченої пари в T-s
30
діаграмі, мали більшу ефективністю перетворення енергії, ніж рідини з
позитивною кривою нахилу.
Автори досліджували продуктивність низькотемпературних сонячних батарей
та систему ОЦР з використанням трьох різних зеотропних складових органічної
рідини тетрафторетану, R245fa, R152a. Вони дійшли висновку, що через
властивий стрибок температур, пов'язаного із зеотропною сумішшю
тетрафторетану під час фазового переходу, перед випарником повинен бути
підігрівач. Вони виявили, що на відміну від чистих рідин, адіабатна зеотропна
суміш тетрафторетану показала низький ККД циклу Ренкіна. Їх дослідження
також показало, що збільшення теплової ефективності може бути досягнуто
шляхом об'єднання підігрівача та випарника.
Дослідники порівнювали ефективність регенеративного ОЦР та простого ОЦР
за допомогою чотирьох різних органічних рідин з позитивною кривою нахилу.
Вони виявили, що для всіх робітників рідин, регенеративний ОЦР виявляється
більш ефективним, ніжпростий ОЦР. Їх аналіз першого та другого закону також
показав, що регенеративний ОЦР зменшує незворотність системи. він також
зменшує кількість теплової енергії, необхідної для виробництва тієї
ж потужності. Їхні результати також підтвердили той факт, що для рідини з
позитивним кутом нахилу не потрібен перегрів, оскільки, перегрів знижує
тепловий ККД та збільшує незворотність системи. Вони також виявили, що чим
вища температура кипіння такої органічної рідини, тим вищою є теплова
ефективність ОЦР.
Автори порівнювали продуктивність циклу Брайтона та ОЦР з використанням
толуолу в якості робочої рідини, де обидва ці цикли використовувалися як
нижній цикл для мало розмірної (7,8 Мвт) газової турбіни з температурою
вихлопних газів 534 °C і великого (на 16,8 МВт) дизельного двигуна з
температурою вихлопних газів 400 °С. Вони виявили, що ОЦР завжди
демонстрував вищу продуктивність, ніж цикл Брайтону для температур
31
вихлопних газів до 680 ̊C, у той час як цикл на повітрі домінують за більш
високих температурах. Однак, для когенерації електроенергії та тепла,
електричний ККД як циклу Брайтона, так і ОЦР досить близько один до одного
другові.
Дослідники вивчали застосування багатокомпонентних робітників
тіл для системи ОЦР, і дійшли висновку, що ОЦР є ефективний
теплопередавальний пристрій, що складається з багатьох енергетичних полів, і
що його продуктивність може бути покращена при використанні
багатокомпонентної зеотропної суміші тетрафторетану.
Автор виконав експериментальне дослідження та моделювання
низькотемпературного органічного циклу Ренкіну для малої когенерації.
Після випробування всіх органічних рідин, він дійшов висновку, що R123
краще адаптований для гарячого джерела температури між 100 і 200 °С.
Він також дійшов висновку, що для маленьких потужностей найкраще
підходить спіральний розширювач через його стійку роботу при
двофазний потік.
Автори представили свої дослідження з питань підвищення ефективності при
перетворенні з низького (від геотермальних джерел) та середнього (з
концентрованої сонячної енергії) джерел тепла з використанням системи ОЦР
при підведенні теплоти від двох джерел з ізобутаном як робоча рідина.
Результати їх моделювання показали, що такі системи мають хороші
економічними перевагами перед вартістю відновлюваних джерел енергії.
Авторами розроблена модель, перевірена на геотермальній електростанції Чена,
Аляска, США з використанням IPSEпро інструментів моделювання. Вони
виявили, що зміна температури у джерелі геотермальної енергії впливає на
потужність електростанції, а також на стан робочої рідини на вході в турбіну та
на виході з конденсатора.
32
Вони радять, щоб система ОЦР передбачала високий рівень контролю
температури з метою запобігання кавітації в насосі, а також зниження
продуктивності електростанції.
В ОЦР вибір робочої рідини та робочих умов безпосередньо впливає на
ефективність роботи системи. Автори досліджували робочу рідину для
рекуперації тепла від двигуна внутрішнього згоряння та виявили, що R11,
R141b, R113 і R123 показали дещо кращі термодинамічні характеристики.
Альтернативною робочою рідиною для ОЦР можуть бути алкани, лінійні
силоксани та ароматичні сполуки. Зеотропні суміші є перспективними
робочими рідинами, тому що вони можуть добре поєднуватися із джерелом
відпрацьованого тепла.
Автори виявили, що різні робочі рідини при певних температурах
випаровування та конденсації виявляють дуже близьку теплову ефективність,
хоча теплові коефіцієнти, незначно збільшуються за критичної температури
робочих рідин. Вони також використали загальну ефективність рекуперації
тепла та доступність тепла, щоб оцінити ефективність системи ОЦР замість
традиційних показників теплової ефективності.
Автор рекомендував R134A як найкращу робочу рідину для
низькотемпературних сонячних систем ОЦР серед 20 досліджених робітників
рідин.
Автори вказали, що вибір робочої рідини залежить від характеру джерела
тепла, рівня температури та цільової функції.
Дослідники визначили найкращу робочу рідину серед 31 попередньо вибраних
робочих рідин з використанням рівняння стану Бекона.
Багато робіт були зосереджені на моделюванні та оптимізації систем ОЦР.
Моделювання та термодинамічний аналіз проводилися для підвищення
33
теплового ККД ОЦР. Експериментальне та модельне дослідження
лабораторного блоку ОЦР досліджено у роботі. Результати моделювання та
експериментальні дані добре узгоджуються.
Автор оптимізував параметри системи ОЦР через генетичний алгоритм
Сукупна оптимізація робочих параметрів. Конфігурація теплообмінників та
конденсаторів була проведена в роботі.
Автори розглянули вплив ключових параметрів, включаючи температуру на
вході в турбіну, тиск на вході в турбіну та різницю температур на
продуктивність системи.
В ОЦР із сонячною енергією теплоносій циркулює, а температура на виході
середовища набагато вища, ніж температура навколишнього середовища. У
ОЦР з димовими газами як джерело відпрацьованого тепла температура на
виході димового газу повинна бути вищою за точку роси, щоб запобігти корозії.
Корисна потужність ОЦР є функцією від теплової потужності та ефективності
циклу.
Дослідники виявили, що для джерела відпрацьованого тепла, температура
якого нижче температури навколишнього середовища, додавання регенерації
може покращити термічний ККД ОЦР, при зменшенні температури
утилізованого тепла корисна потужність залишилася тієї ж самої. При
фіксованій температурі конденсації, ніж вищетемпература випаровування, тим
вище тепловий ККД. Однак висока температура випаровування може призвести
до різкого скорочення кількості тепла, що утилізується, викликаного
закипанням робочого тіла. Хоча тепловий ККД високий, вихідна потужність
може бути низькою. Таким чином, тільки тепловий ККД не може відображати
роботу ОЦР, що приводиться в дію цимтипом відпрацьованого тепла. Більше
34
доцільно використовувати термічну ефективність та кількість тепла, яке було
відновлено одночасно для оцінки продуктивності системи.
Кількість тепла, що виділяється, залежить від коефіцієнта теплопередачі між
робочою рідиною та теплоносієм. Як тільки з'являється точка закипання між
робочою рідиною та відпрацьованим теплоносієм кількість тепла, що
відновлюється, обмежується.
Автори запропонували використовувати два контури, щоб уникнути точки
закипання, розташованої між термічним маслом та робочою рідиною.
Автори досліджували вплив пов'язаної різниці температури закипання та
температури випаровування на продуктивність ОЦР.
Автори проаналізували ефективність ОЦР на основі положення точки
закипання, але в основному вони зосередилися на точці закипання для
надкритичного ОЦР. У наведених вище посиланнях було зазначено, що
точка закипання між відпрацьованим теплоносієм та робочою рідиною
розташована у початковій точці випаровування. Однак точка закипання може
виникати в зоні підігріву і навіть бути низькотемпературною системою
рекуперації тепла.
35
Рис. 1.9 – T-S діаграма для різних типів робочих рідин
Згідно з нахилом кривої насичення, в T-S діаграмі, органічні робочі рідини
можна розділити на три типи: сухі, мокрі та ізоентропічні. На рис. 1.9 показана
діаграма T-S трьох вищезгаданих типів робочої рідини. Вологі рідини можуть
утворювати краплі на виході з турбіни, наявність крапель пошкоджує лопаті
турбіни та зменшує ізоентропічну ефективність турбіни. Мінімальний ступінь
сухості на виході з турбіни має бути не менше 85%.
Для того щоб при розширенні волога робоча рідина мала достатню ступенем
сухості вона має бути перегріта на вході в турбіну.
Автори виявили, що, перегрів сухих робочих рідин не збільшує теплової
ККД циклу, а збільшує незворотність. Крім того, через зменшення коефіцієнта
теплопередачі у паровій фазі перегрів призводить до значно більшої площі
теплообмінника, та вартість перегріву значно збільшується. Тому в цьому
36
дисертації досліджуються системи ОЦР з використанням сухої або
ізоентропічної робочої рідини без перегріву.
Для системи ОЦР без перегріву температура випаровування має бути
менше критичної температури робочої рідини. Критична температура обмежує
сферу застосування робочої рідини.
Використання в ОЦР з робочих рідин з низькими критичними температурами
призводить до надкритичного циклу Ренкіна, в якому процес конденсації може
спричинити експлуатаційні проблеми.
Тому критична температура робочої рідини не повинна бути нижчою за 50
° С. Оскільки температура конденсації визначається температурою
навколишнього середовища, температура конденсації приймається рівною 40°С
(температура води, що охолоджує, з урахуванням недогріву). Щоб уникнути
утворення вакууму під час конденсації, тиск насиченої пари робочої рідини при
40 ° С має бути вище атмосферного. Для робочих рідин з критичною
температурою вище 200°С тиск насичених парів при 40 °С зазвичай менше
атмосферного. Такі робочі рідини в цій роботі не розглядаються.
Багато робочих рідин мають однаковою тепловою ефективністю, хоча вона
незначна збільшуються із підвищенням критичної температурою робочих
рідин. Необхідно також враховувати фактор безпеки. В роботі
використовується неагресивна, негорюча та нетоксична робоча рідина. Турбіни
для системи ОЦР можуть бути радіальними або осьовими залежно від розміру
установки, масової витрати та відношення тисків. Осьові турбіни є кращими
для великого масового
витрати і низької різниці тисків, в той час як радіальні турбіни підходять для
низької масової витрати та високої різниці тисків. Однак турбіни не підходять
для невеликих систем ОЦР (менше 150 кВт) здебільшого через високу
швидкість обертання та високу вартість.
Як правило, відновлення низькопотенційного тепла з використанням
ОЦР має вихідну потужність 1-150 кВт, тому переважними є об'ємні
розширювачі, основні виробники яких представлені у таблиці 2.6.Об'ємні
37
розширювачі характеризуються меншими витратами, більш високими
коефіцієнтами тиску та значно меншими швидкостями обертання проти
розширювачами швидкісного типу. Вони можуть працювати з двофазною
робочою рідиною, яка може з'являється в кінці процесу розширення у
докритичному органічному циклі Ренкіна У об'ємних розширювачах падіння
тиску спричинене збільшенням площі камери розширення вздовж довжини
потоку.
Співвідношення між камерами розширення на початку та в кінці процесу
називається вбудоване співвідношення обсягу розширювача. Фіксоване
вбудоване співвідношення обсягу розширювача викликає збільшення та
зменшення втрат. Ізоентропійна ефективність розширювача
погіршуватиметься, якщо питома об'ємна відношення розширення в циклі
менше, ніж об'ємне співвідношення розширювача. Вбудоване співвідношення
обсягу розширювачів знаходиться в діапазоні 2-6. За останні десять років було
проведено всебічні
дослідження для оцінки ефективності об'ємного розширювача для
невеликих установок із утилізації скидної теплоти. Більшість об'ємних
розширювачів, які були вивчені та досліджені в цих дослідженнях, були з
модифікованою формою компресора, які були реструктуровані для роботи у
зворотному напрямку як розширювач.
Ринок об'ємних розширювачів ще не дозрів, і доступне лише кілька
комерційних об'ємних розширювачів, в основному спіральні та гвинтові. Існує
низка факторів, які впливають на вибір розширювача для рекуперації низько
потенційного скидного тепла такі як, ефективність, швидкість обертання, вид
мастила, втрати на витоку, втрати на тертя, діапазон номінальної потужності,
продуктивність, складність, надійність, вартість та доступність. Важливим є
порівняльна оцінка вибору та ранжування об'ємних розширювачів на основі їх
загальної продуктивності, вартості, технічних обмежень та комерційної
складової, на основі експериментальних даних із доступних публікацій.
38
Ця робота дає уявлення про вибір відповідного об'ємного розширювача для
утилізації низькопотенційного скидного тепла, засноване на їх характеристиках
та економіці.
Порівняння розширювачів за трьома показниками: економічні (вартість,
надійність), комерційні (діапазон потужностей, рівень розвитку, складність) та
технічні (втрати на витікання, втрати на тертя, умови роботи, шум та вібрація)
проводилися в дослідженні. Порівняльна оцінка показує, що спіральні та
гвинтові розширювачі є найбільш ефективними варіантами та мають оцінки
70,4 і 73,6 за стобальною шкалою. Вони можуть витримувати двофазне
розширення і мати більш низькі втрати на витік і втрати на тертя по порівняно з
лопатевим розширювачем. Хоча поршневі розширювачі мають високий
коефіцієнт розширення і можуть працювати за високої температури та тиск, що
робить їх ідеальними для застосування в циклі CO2.
Але їх нездатність витримувати рідкі фази, точні вимоги до часу всмоктування
та нагнітання та відповідні механізми клапанів виключають їхнє застосування
для низько потенційної утилізації тепла. Поршневі розширювачі мають оцінку
59,2 за стобальною шкалою. Лопатевий розширювач має більш високі втрати на
витік та тертя, ніж інші об'ємні розширювачі, що робить їх менш привабливими
серед інших доступних об'ємних розширювачів і має найнижчий показник 47,2
за сто бальною шкалою.
Конструкція лопатевих та поршневих розширювачів ще не зріла, і є достатньо
місця в області оптимізації дизайну та витоку та зменшення втрат на тертя.
Гвинтовий та спіральний розширювач є зрілими технологіями порівняно з
іншими об'ємними розширювачами та показують хороші характеристики для
утилізації відпрацьованого тепла для широкого діапазону умов експлуатації.
Гвинтовий та спіральний розширювачі є єдиними об'ємними розширювачами,
які є у продажу та використовуються в системах ОЦР. Тим не менш, гвинтові
39
розширювачі не підходять для виробництва електроенергії менше 25 кВт, тому
що вартість гвинтового розширювача буде дуже високою через чутливість
конструкції та виготовлення гвинта.
1.4 Приклади застосування ОЦР для утилізації тепла
Крім досліджень, представлених вище, у реальному житті також існують
комерційні робочі установки ОЦР, призначені для утилізації тепла чи
геотермальної енергетики.
Дослідники представили доповідь про “ORMAT® Energy Converter (OEC)”, де
виробляється електрична енергія з використанням технології ОЦР,
перетворюючи викиди теплової енергії пара від газових турбін, що
використовують для роботи стислий природний газ, станції Нептун з переробки
природного газу в Центервіль, США.
Надбудова, яка використовує n-пентан як робочу рідину, була побудована в
2004 році і була визнана першою у своєму роді в США.
Потужність такої установки 4,5 МВт. Дана надбудова була побудована, щоб
завод був автономним, щоб перебої у постачанні електроенергії енергії, яка є
єдиним джерелом живлення для газового блоку обробки, що не впливали на
газопереробний завод. Крім того, вона стала новим джерелом доходу для
компанії, оскільки надлишки виробленої електроенергія продається на місцевій
енергетичній компанії.
Автор представив доповідь про три “Recovered Energy Generation” (REG) на
електростанції, кожен потужністю 5 MВт розроблені ORMAT на “Alliance
Pipeline”, керовані незалежним виробником електроенергії в Західній Канаді,
для перетворення викидів теплоти від існуючої газової турбіни в електрику.
Як і канадська компанія, є інші компанії, які уклали угоду з ORMAT. У 2006
році дочірня компанія ORMAT уклала 20- річну угоду про купівлю
електроенергії з Puget Sound Energy на постачання електроенергії з REG
40
системи, розташована недалеко від компресорної станції "Sumas Northwest
Pipeline".
Крім утилізації тепла від об'єктів переробки газу, є інші процеси, де ORMAT
довів, що OEC є комерційно здійсненним та економічно доцільним.
Наприклад, представив доповідь про застосування OEC для перетворення
низькотемпературних відходів тепла від охолоджувачів повітря на “Heidelberg
Cement” заводу у електроенергії, що знаходиться в Ленгфурті, Німеччина. В
ORMAT повідомили про зустріч не тільки з “Heidelberg Cement” про
особливості проектування, але і впоралися з автоматичними та плавними
широкими коливаннями температури джерела тепла та потоку.
Крім того, ця технологія також була реалізована на утилізації тепла від
корабельних вихлопів. Наприклад, “Siemens” та “United Arab Shipping
Company” уклали угоду щодо надання системи регенерації утилізованого тепла
для свого судна. Система утилізації тепла буде використовувати технологію
циклу Ренкіна для перетворення відходів тепла від вихлопної труби корабля до
електроенергії. Подібно до системи з більш високою ефективністю утилізації
може бути досягнута з допомогою системи ОЦР. Технологія ОЦР є зрілою у
світі виробництва електроенергії із геотермальних джерел тепла.
Автор представив доповідь про ОЦР продуктивністю 200 квт. на геотермальній
електростанції Чена, Аляска, США, розроблена “United Technologies
Corporation”. Встановлення використовує R134a як робоче тіло з джерелом
тепла від низької геотермальної температури 73 °C. За даними продуктивності
за 3000 год роботи зазначено, що установка виробила 578,550 квт*год
електроенергії при коефіцієнт використання 0.95. Це витісняє 44,5
американських галонів дизельного палива, які потрібно було спалити для
виробництва цієї кількості енергії без ОЦР. Є також деякі запатентовані роботи
з використання системи ОЦР для вироблення електроенергії з відходів тепла
41
Дослідник запатентував роботи з використання систем ОЦР для виробництва
електроенергії з низькою температурою вихлопних газів з використанням
холодоагенту суміші в якості робочої рідини.
Автор також має патент на використання ОЦР для енергетики з метою
підвищення енергетичної ефективності процесу.
Інші застосування, деякі з яких все ще знаходяться в експериментальної фази,
які використовують технологій ОЦР для виробництва електроенергії із
низькотемпературних джерел тепла, включають: експериментальний завод 100
кВт, відомий як “Granex”, який був розроблений групою дослідників з
Університету Ньюкасла, Австралійського пріоритетного науково-дослідного
центру для енергії та потужності.
Також "Ener-G-Rotors" була розроблена 5 кВт експериментальна установка для
перетворення низькопотенційної теплової енергії до електричної.
Всі установки ОЦР, розроблені для продажу ORMAT і про які говорилося вище
використовують двоступінчасту передачу, в якій теплота від джерела
використовується ОЦР не на пряму, при першому проходженні теплота
передається термальному маслу або воді, яка потім використовується
для підігріву та випаровування робочої рідини. Це підвищує не лише
вартість системи, а й незворотність. З метою усунення цього, “General
Electric” в даний час розробляє варіанти зміни системи, щоб використовувати
пряме випаровування,в якій як вони припускають можна зменшити витрати на
20%. Також були припущені інші способи підвищення ефективності ОЦР.
Наприклад, показали, що вартість ОЦР може бути значно знижено шляхом
адаптації свого обладнання з обладнанням кондиціювання повітря. Цей підхід
зараз використовується в “United Technologies Corporation” у тісній співпраці з
"Carrier Corporation", під торговою маркою "PureCycleTM200".
42
Технологія була успішно застосована в багатьох комерційних електростанціях з
ОЦР у США. Інший підхід полягає в тому, щоб використовувати подвійне
джерело тепла (при різних температурах) для використання в одному циклі
ОЦР. Цей підхід має великі економічних переваг, ніж системи ОЦР від одного
джерела тепла.
1.5 Висновки по розділу та постановка завдання дослідження
Наведено огляд економічного споживання передбачення тепла. Проведений
аналіз небажаних явищ органічного циклу Ренкіна завдяки своїй ефективності,
універсальності, опрацьованості, зрілості. З усіх досліджень систем ОЦР для
вироблення дослідження в суті магістерської, можна зазначити, що основний
принцип роботи системи ОЦР той самий. Єдина різниця- це джерело тепла,
налаштування, вид робочого тіла, тип турбіни, постійно у системі.
У магістерській роботі необхідно вирішити завдання:
1. Провести аналіз використання технологій низькопотенційної енергії
промислових та енергетичних об'єктів;
2. Розробити методику оцінки ефективності використання з урахуванням
особливостей технологій ОЦР;
3. Провести моделювання термодинамічних процесів використання
теплоти газів на теплотехнологічних об'єктах.
4. Провести експериментальне дослідження термодинамічних процеси у
дослідно-промисловій установці ОЦР на 4 кВт.
5. Розробити рекомендації щодо вдосконалення конструкції установки ОЦР,
забезпечення надійності та безпеки протікаючих термодинамічні процеси.
43
РОЗДІЛ 2.
МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА ОСОБЛИВОСТІ
УСТАНОВОК ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Розроб. Левченко а
Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний РОЗДІЛ 2
Реценз. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА
ОСОБЛИВОСТІ УСТАНОВОК
Н. Контр. ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
44
Розділ 2 МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА ОСОБЛИВОСТІ
УСТАНОВОК ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА
Виробництво установок, що працюють на підставі ОЦР починається з 1980-х
років. Найбільш значущі виробники та типи їх установок представлені у
таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 - Основні виробники установок ОЦР
Виробник Область Температу Потужність, Робоче Тип
впроваджен ра кВт тіло розширюва
ня джерела ча
тепла
ORMAT, Геотермаль 150–300 200– Н-пентан та двоступінча
США на, 70,000 інші стих
Утилізація, я осьова
Сонячна турбіна
Turboden, Біогазова 100–300 200– OMTS, Двоступене
Italy ТЕЦ, 2000 Solkatherm вий
Утилізація, я осьова
Геотермаль турбіна
на
Adoratec/Ma Биогазовая 300 315–
xxtec, ТЭЦ 1600 OMTS
Germany
Opcon, Утилізація <120 350– Амоній Турбіна
Sweden 800 Lysholm
45
GMK, Біогазова 120–350 150– Багато
Germany ТЕЦ, 5000 східчаста
Утилізація, осьова
Геотермаль турбіна
на
Bosch Утилізація 120–150 65– R245fa
KWK, 325
Germany
Turboden Утилізація, 91–149 280 R245fa Радіальна
PureCycle, Геотермаль турбіна
US на
GE Утилізація >121 125 R245fa Одноступін
CleanCycle частий
я радіальна
турбіна
Cryostar, Утилізація, 100-400 n/a R245fa, Радіальна
France Геотермаль R134a турбіна
на
Tri-o-gen, Утилізація >350 160 Толуол Радіальна
Netherlands турбіна
Electrather Утилізація, >93 50 R245fa Спіральний
m, US Сонячна розширення
46
Як видно з таблиці 2.1 для різних джерел тепла та потужностей
розрізняються використовувані типи розширювачів та робочих середовищ.
Дане питання поряд з математичною моделлю становить найбільшу цінність
для проектування установок, що працюють за принципом органічного циклу
Ренкіна.
2.1 Термодинамічні процеси з яких складається ОЦР.
ОЦР зазвичай складається з чотирьох основних процесів, представлених
малюнку 2.1.
• Процес 4-5: Ізоентропний процес розширення без зміни теплоти, втрат на
тертя та витоку.
• Процес 5-1: Ізобарний процес відведення теплоти від робочої рідини. Цей
процес ділиться на дві зони, охолодження пари до температури насичення (5-6)
та конденсація (6-7).
• Процес 1-2: Ізоентропний процес стиснення без зміни теплоти, втрат на тертя
та витоку.
У реальній системі ОЦР присутня незворотність яка знижує ККД циклу за
теоремою Клаузіса. Необоротність відбувається в процесах:
• Розширення: у реальній системі ОЦР процес розширення ніколи не
ізоентропний, тільки частина енергії, що виділяється при зменшенні тиску
перетворюється на корисну, решта губиться як тепла у системі. Також втрати
на тертя та витоку призводять до зменшення ефективності турбіни.
Ефективність турбіни визначається шляхом порівняння реального
теплоперепаду з теплоперепадом при ізоентропійному розширення.
• Теплообмін: теплообмін під час випаровування та конденсації ніколи
не йдуть як у ідеальному циклі при постійному тиску. Втрати тиску в
теплообмінниках призводить до збільшення потужності насоса та зменшення
корисної потужності реального ОЦР.
47
• Стиснення в насосі: Електромеханічні втрати та внутрішні витоку призводять
до незворотності, яка перетворює частину корисної роботи тепло зменшуючи
ефективність реального ОЦР
Рис. 2.1 -T-S діаграма для реального циклу ОЦР
Для розробки реальної моделі ОЦР враховуються всі ці втрати. У цій роботі всі
втрати враховані у ККД кожного елемента.
2.2 Математична модель елементів ОЦР
ОЦР зазвичай складається з наступних елементів:
• Випарник
• Конденсатор
• Регенеративний теплообмінник
• Турбіна/розширювач
• Насос
• Генератор
• Параметр стану робочого тіла
48
2.2.1 Випарник
Функцією випарника є підігрів та випаровування органічної робочої рідини (wf)
використовуючи низько потенційну теплову енергію (Wh). Він передає теплоту
від гарячої рідини (wh) холоднішої рідини (wf) через поверхню.
Математична модель випарника є наступними рівняння:
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
ṁ wh_in = ṁ wh_out
• Рівняння втрати тиску
Pwf_in − ΔPwfs = Pwf_out
Pwh_in − ΔPwhs = Pwh_out
• Рівняння енергетичного балансу
ṁ wf_in ∙ (hwf_in − hwf_out) + Qeva = 0
ṁ wh_in ∙ (hwh_in − hwh_out) − Qeva = 0
• Задані параметри
Δpwfs - втрата тиску робочого тіла в теплообміннику, Па;
Δpwhs - втрата тиску гріючого середовища в теплообміннику, Па;
ṁ wh_in − витрата гріючого середовища, кг/c;
hwh_in −ентальпія гріючого середовища на вході, кДж/кг;
hwh_out −ентальпія гріючого середовища на виході, кДж/кг;
hwf_in −ентальпія робочого тіла на вході, кДж/кг;
hwf_out −ентальпія робочого тіла на виході, кДж/кг.
• Параметри, що моделюються.
Qeva –теплова потужність теплообмінника, квт;
ṁ wf_in − витрата робочого тіла, кг/с;
49
Конденсатор
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
ṁ cf_in = ṁ cf_out
• Рівняння втрати тиску
Pwf_in − ΔPwfs = Pwf_out
Pcf_in − ΔPwhs = Pcf_out
• Рівняння енергетичного балансу
ṁ wf_in ∙ (hwf_in − hwf_out) − Qkond = 0
ṁ cf_in ∙ (hcf_in − hcf_out) + Qkond = 0
• Задані параметри
ṁ wf_in − витрата робочого тіла, кг/с;
ΔPwfs – втрата тиску робочого тіла у теплообміннику, Па;
ΔPcfs – втрата тиску охолоджуючої рідини в теплообміннику, Па;
hcf_in −ентальпія охолоджуючої рідини на вході, кДж/кг;
hcf_out −ентальпія охолоджуючої рідини на виході, кДж/кг;
hwf_in −ентальпія робочого тіла на вході, кДж/кг;
hwf_out −ентальпія робочого тіла на виході, кДж.
50
• Параметри, що моделюються.
Qkond - теплова
2.2.3 Регенеративний теплообмінник
Рис. 2.4 - Регенеративний теплообмінник
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
ṁ wf_in = ṁ wf_out
• Рівняння втрати тиску
Pwf_in − ΔPwfs = Pwf_out
Pwf_in − ΔPwhs = Pwf_out
• Рівняння енергетичного балансу
ṁ wf_in ∙ (hwf_in − hwf_out) − Qrek = 0
ṁ cf_in ∙ (hwf_in − hwf_out) + Qrek = 0
51
• Задані параметри
ΔPwfs – втрата тиску робочого тіла у теплообміннику, Па;
ΔPwfs – втрата тиску робочого тіла у теплообміннику, Па;
ṁ wf_in − витрата робочого тіла, кг/с;
hwf_in −ентальпія робочого тіла, що гріє на вході, кДж/кг;
hwf_out −ентальпія гріючого робочого тіла на виході, кДж/кг;
hwf_in −ентальпія робочого тіла, що нагрівається на вході,
кДж/кг;
• Параметри, що моделюються.
Qrek - теплова потужність теплообмінника, кВт;
hwf_out −ентальпія робочого тіла, що нагрівається на виході,
кДж/кг
2.2.4 Турбіна/Розширювач
Рис. 2.5 – Турбіна/Розширювач
52
Існує чотири варіанти моделювання процесів у турбіні:
• Моделювання задаючи механічну ефективність та ізоентропійну ефективність
проточної частини;
• Моделювання знаючи залежність ізоентропійної ефективності від витрати
робочого тіла;
• Моделювання знаючи залежність ізоентропійної ефективності від різниці
тисків
• Моделювання знаючи залежність ізоентропійної ефективності від швидкості
обертання
З існуючих чотирьох способів найпростішим є перший, три інших способи
вимагають характеристики, отримані на конкретному розширювачі та служать
для оцінки ефективності при часткових навантаженнях.
Для моделювання термодинамічних процесів у розширювачі був прийнятий
перший спосіб, зважаючи на свою простоту і наявність даних інших
дослідників.
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
• Рівняння енергетичного балансу
hwf_out = (hwf_in − Δhs
∙ηoi)
(hwf_in − hwf_out) ∙ ṁ wf_in ∙ ηм = Nм
• Задані параметри
ηм - механічний ККД;
∙ηoi −внутрішній відносний ККД розширювача;
Δhs −розташований теплоперепад, кДж/кг;
53
hwf_in −ентальпія робочого тіла на вході в турбіни (на виході
з випарника), кДж/кг.
• Параметри, що моделюються.
Nм - механічна потужність розширювача, кВт.
2.2.5 Насос
Рис. 2.6 – Насос
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
• Рівняння енергетичного балансу
hwf_out = hwfin − Δhs/ηн
(hwfin − hwfout ) ∙ ṁ wfin /ηн = Nн
• Задані параметри
ηн - ККД насоса;
Δhs −розташований теплоперепад, кДж/кг;
Δhs − теплоперепад, що розташовується;
54
hwf_in −ентальпія робочого тіла на вході, кДж/кг.
• Параметри, що моделюються.
hwf_out −ентальпія робочого тіла на виході, кДж/кг.
Nн - Потужність насоса, кВт.
• Рівняння енергетичного балансу
Nм ∙ ηм ∙ ηг = Ne
• Задані параметри
ηг -електричний ККД генератора;
ηм-механічний ККД.
• Параметри, що моделюються.
Не-електрична потужність, кВт.
55
2.2.7. Параметр стану робочого тіла
У моделюванні циклу важливо знати стан робочого тіла. З допомогою нього
можна контролювати ерозію лопаток турбіни та кавітацію у насосі
Рис. 2.8 – Параметр стану тіла
• Рівняння масового балансу
ṁ wf_in = ṁ wf_out
• Рівняння балансу тиску
Pwf_in = Pwf_out
• Рівняння енергетичного балансу
hwf_in = hwf_out
x = hwf_in − h`/ h`` − h`
56
• Параметри, що моделюються.
x-ступінь сухості
Знаючи ступінь сухості можна визначити стан робочого тіла:
• x<0 робоче тіло перебуває у стані рідини
• x=0 робоче тіло знаходиться в стані киплячої рідини (початок процесу
випаровування)
• 0<x <1 робоче тіло перебуває у стані вологого насиченої пари (h`)
• x=1 робоче тіло знаходиться у стані сухої насиченої пари (h``
• x>1 робоче тіло перебуває у стані перегрітої пари
2.2.8 Енергетична оцінка ефективності
Кількісна оцінка ефективності циклу зветься коефіцієнта корисної дії Існують
два основні способи розрахунку коефіцієнта корисної дії циклу:
• Енергетичний
2.3 Вибір робочої рідини для ОЦР
2.3.1 Математична модель
Температура випаровування (насичення) робочого тіла знаходиться між
температурою джерела тепла та температурою навколишнього середовища та
впливає на кількість теплоти, що утилізується. Значення температури
випаровування впливає тип утилізації. При значенні температури
випаровування нижче граничною відбувається повне поглинання теплоти
джерела. На малюнку 2.10 показані Т-Н діаграми положення кривої насичення
для двох типів утилізації.
57
При значенні температури насичення вище граничної відбувається не повне
поглинання теплоти джерела та температура виходу джерела теплоти стає
вищою.
Рис. 2.9 – Схеми розташування кривої насичення за різних видів утилізації:
а – повна утилізація; б - не повна утилізація; в - повна глибока
утилізація; г – не повна глибока утилізація
Положення точки початку кипіння визначається відносним положенням лінії
робочої рідини та лінії джерела теплоти (теплоносія). На положення та форму
лінії джерела теплоти впливають температура на вході та виході, і теплоємність
джерела теплоти. Температура робочої рідини на вході, температура
випаровування та відношення питома теплота підігріву до прихованої теплоти
58
пароутворення впливають на форму лінії робочої рідини. Теплова потужність
джерела теплоти не впливає на положення точки початку кипіння, тоді як на це
становище впливає сума інших факторів. Вплив цих факторів включено у
математичну модель, описану нижче. Якщо температура насичення перевищує
граничну, то не враховуючи підвищення температури робочої рідини після
стиснення в насосі, температура гріючого середовища на виході вище, ніж сума
температури на вході робочої рідини та недогріву:
tІвих > tРвх + θ
Як показано на рис. 2.9, теплота, поглинається робочою рідиною для
випаровування зі стану насиченої рідини до сухої насиченої пари, дорівнює
теплоті, що віддається гріючим середовищем, від температури на вході до
температури насичення. Таким чином, відношення витрати гріючого
середовища до витрати робочого тіла обчислюється за такою формулою:
М = cp ∙ (tІвх − (ts + θ)/r.
де М - відношення витрати гріючого середовища до витрати робочого тіла, кг /
кг;
cp − теплоємність гріючого середовища, кДж/(кг ∗ К);
tІвх – температура гріючого середовища (джерела) на вході, С;
ts − температура насичення робочого тіла, С;
θ − недогрів між робочими тілами 8-12, С̊;
r– прихована теплота пароутворення робочого тіла, кДж/кг.
Теплота, необхідна для попереднього нагрівання робочої рідини
до температури випаровування, що дорівнює добутку відношення витрат (М ) і
питомої теплоти нагріву до температури насичення (Δh):
q1 =cp ∙ Δh ∙ (tІвх − (ts + θ)/r
59
де q1 – теплота нагрівання робочої рідини до насичення,кДж/кг;
Δh– питома теплота нагріву робочої рідини до насичення, кДж/кг.
Оскільки мінімальна температура гріючого середовища на виході
є сумою температури на вході робочого тіла та недогріву (tРвх + θ),
максимальна теплота, що поглинається від гріючого середовища при нагріванні
робочого тіла до температури випаровування, визначається як:
q2 = cp ∙ ((ts + θ) − (tРвх + θ)).
де q2 - теплота віддається гріючим середовищем для нагрівання, робочого тіла
до температури насичення, кДж/кг;
tРвх - температура робочого тіла на вході, С;
З першої нерівності (2.2) та рис. 2.9 (б) видно, що теплота, необхідна для
нагрівання робочої рідини до температури випаровування, менше теплоти
джерела, що розташовується. Таким чином видно нерівність:
q1 < q2.
Об'єднавши нерівність 2.6 із рівняннями 2.4 та 2.5 отримано наступний
вираз:
Δh ∙ (tІвх − (ts + θ)/r - ( ts − tРвх) < 0.
Количество восстанавливаемой (утилизируемой теплоты) равно произведению
отношения расходов на сумму удельной теплоты подогрева до температуры
насыщения и скрытой теплоты парообразования. Количество поглощаемой
теплоты и электрическая мощность определяются формулами:
qут = М ∙(Δh + r) = Cp ∙ (Δh + r) ∙ (tІвх − (ts + θ)/r
P/D = qут ∙ ηt.
60
де qут – питома кількість теплоти, що відновлюється, при утилізації, кДж/кг;
P - Потужність, кВт;
D - Витрата робочого тіла, кг/с;
ηt - термічний ККД циклу Ренкіна.
Прихована теплота пароутворення (r) та питома теплота підігріву.
Температура насичення (Δh) визначається за допомогою програми SmoWeb.
Ця програма є калькулятором термодинамічних параметрів робочого тіла, що
працює на базі даних Coolproop. Прихована теплота пароутворення
вимірюється як різниця ентальпій при постійному включенні
із зміною ступеня сухості від 0 до 1, як різниця ентальпії кипенно-рідкої та
ентальпійної після насоса.
Аналогічно, якщо зменшити температуру насичення нижче граничної, наявна
теплота джерела повністю поглинається, а температура гріючого середовища на
виході досягає мінімального значення (tІвих = tРвх + θ). Як бачимо на рис. 2.9
(а) питома витрата робочого тіла дорівнює відношенню кількості теплоти, що
виділяється (повністю відновленої в цьому випадку) до суми прихованої
теплоти пароутворення та питомої теплоти підігріву. У цьому випадку
відношення витрати гріючої середовища до витрати робочої рідини
розраховується так:
М = cp ∙ (tІвх − (tРвх + θ)/Δh + r
Теплота, необхідна для попереднього нагрівання робочої рідини до
температури випаровування, визначається як:
q1 =Cp ∙ Δh ∙ (tІвх − (tРвх + θ))/Δh + r.
З рис. 2.9 (a) теплота, що виділяється джерелом в інтервалі температур (ts + θ) і
(tРвх + θ) дорівнює:
61
q2 = cp ∙ ((ts + θ) − (tРвх + θ))
Як показано на рис. 2.9 (а), теплота, необхідна для попереднього нагрівання
робочої рідини до температури випаровування (q1), більше, ніж наявна теплота
гріючого середовища (q2), в інтервалі температур (tвип + θ) та (tРвх + θ).
Об'єднавши вирази 2.11 та 2.12, з цим твердженням отримаємо:
Δh ∙ Cp ∙ (tІвх − (ts + θ)) − r ∙ Cp ∙ (ts − tРвх)/(Δh + r)>0.
У цьому випадку питома поглинається теплота досягає максимум, який можна
обчислити:
q = cp ∙ (tІвх − (tРвх + θ)). (2.15)
Видно, що у нерівностях 2.8 та 2.14 для теплоти відсутня коефіцієнт
теплопередачі, це означає, що він не впливає на становище точки початку
кипіння. Температура на вході джерела теплоти, температура випаровування,
недогрів та відношення прихованої теплоти пароутворення до питомої теплоти
підігріву визначають положення точкинасичення. Оскільки знак виразу алгебри
в лівій частині нерівності 2.13 вказує положення закипання, вираз алгебри
цього твердження записується через визначник (ВИЗ), спрощений вид якого
записується як:
ВИЗ =Δh ∙ Cp ∙ (tІвх − (tВИП+ Δ))/r - Cp ∙ (tвип − tРвх)/Δh + r
Аналогічно відбувається і при глибокій утилізації (рис. 2.9, г),
однак у такому разі значення положення кривої насичення надає
вплив прихованої теплоти конденсації водяної пари в газах, що йдуть
(rконд), значення q1, q2 і ВИЗ знаходяться як:
62
q1 =Δh ∙ (сp(tІвх − (tРвх + θ)) + rконд)/Δh + r
q2 = сp ∙ ((ts + θ) − (tРвх + θ));
ВИЗ =Δh ∙ сp ∙ (tІвх − (tвип + θ))/r - сp ∙ (tвип − tРвх)/Δh + r
Коли значення ВИЗ більше 0, температура насичення досягає
максимуму, у якому відновлюється вся теплота. Коли значення ВИЗ
менше 0, температура кипіння менша, ніж потрібна для повного
відновлення. Підставляючи визначення ВИЗ у рівняння для
теплоти, що утилізується 2.8, отримаємо:
qут = Cp ∙ (ВИЗ + tІвх − (tРвх + Δ))
Коли значення ВИЗ дорівнює 0, температура дорівнює граничній. Нахил лінії
гріючого середовища та лінії робочої рідини рівні. На практиці цей випадок
буває рідко.
Коли значення ВИЗ негативне, теплоти, що утилізується, стає менше
максимально можливої. Чим більше значення ВИЗ, тим більше тепла
відновлюється. Вираз ВИЗ точно визначає температуру випаровування, а також
є показником кількості відновлюваного тепла.
Оскільки при питомих температурах випаровування та конденсації термічна
ефективність різних робочих рідин дуже схожа, робоча рідина, яка відновлює
більше теплоти, виробляє велику потужність. При певній температурі
випаровування, якщо є робочі рідини, значення ВИЗ яких позитивні, як
оптимальної робочої рідини вибирається робоча рідина з найвищим тепловим
ККД. Теплова ефективність трохи збільшується з критичною температурою
робочих рідин. Позитивне значення ВИЗ вказує, що температура кипіння
менша за граничну, і відпрацьована теплота може бути повністю відновлена.
Вибираючи робочу рідину з максимальною ефективністю, ми отримаємо
63
максимальну вихідну потужність. Якщо значення ВИЗ для всіх попередньо
вибраних робітників рідин менше 0, то температура кипіння більша за граничну
для всіх робочих рідин, а теплота може бути повністю відновлена. Це означає,
що робоча рідина з максимальним значенням ВИЗ має вибиратися як
оптимальна робоча рідина за певної температурі випаровування. ВИЗ- це
всеосяжний показник продуктивності системи з враховуючи всі важливі
параметри ОЦР. Він одночасно враховує характеристики робочого тіла та
умови роботи. На основі ВИЗ пропонується новий метод вибору робочої рідини
та умов роботи одночасно.
2.3.2 Порядок вибору робочої рідини та температури випаровування
1. Розрахунок максимально можливої кількості відновленого тепла та завдання
початкової температури випаровування.
Найвища можлива температура випаровування – це температура на вході
відпрацьованого тепла мінус недогрів (Вважається 10 °C). Ця температура є
теоретичною обмеженням, яке може бути досягнуто тільки тоді, коли
прихована теплота пароутворення робочої рідини дорівнює 0. Коли
температура випаровування близька до максимально можливої температурі
випаровування, а значення ВИЗ дуже мале. У результаті робочі рідини, з
температурами випаровування поблизу граничної температури випаровування,
не знаходяться в найбільш ефективному становищі.
2. Крок 2: Розраховується значення ВИЗ для всіх робочих рідин, вибирається
робоча рідина з максимальним значенням ВИЗ як оптимальної робочої рідини
1.
Оскільки початкова температура випаровування встановлюється на 5 ° C нижче
максимально можливої температури випаровування, значення ВИЗ всім
робочих рідин менше 0.
Негативні значення ВИЗ означають, що точка кипіння вища граничною всім
робочих рідин. Відпрацьована теплота не може бути повністю відновлено.
Робоча рідина з максимальним значенням ВИЗ може відновити найбільше
64
кількість відпрацьованого тепла серед усіх робочих рідин. Відповідно, робоча
рідина з максимальним значенням ВИЗ вибирається оптимальною за даної
температури випаровування.
3. Крок 3: Зменшувати температуру випаровування та розрахувати значення
ВИЗ для всіх робочих рідин при новій температурі випаровування. Якщо
значення ВИЗ для всіх робітників рідини все ще негативні, перейти до кроку 4.
Якщо є робочі рідини з позитивними значеннями ВИЗ, перейти до кроку 5.
Оскільки значення ВИЗ для всіх робочих рідин на кроці 2 негативні,
відпрацьована теплота повністю не відновлюється. Щоб збільшити кількість
відпрацьованого тепла необхідно зменшити температуру випаровування.
Величина зниження температури залежить від значення ВИЗ на кроці 2. Якщо
максимальне значення ВИЗ серед усіх робочих рідин набагато менше 0, що
вказує на те, що використовуване теплоти, що утилізується, набагато менше
максимально можливим, потрібно зменшити температуру випаровування.
Якщо максимальне значення ВИЗ серед усіх робочих рідин близько до 0, це
вказує на те, що відпрацьована теплота майже повністю відновлено,
температуру випаровування слідує трохи зменшити.
4. Крок 4: Вибрати робочу рідину з максимальним ВИЗ в якості оптимальної
робочої рідини 2. Порівняйте вихідну потужність оптимальних робочих рідин 1
і 2. Рідина з вищою вихідною потужністю буде новою оптимальною 1.
Повернутись до кроку 3. Необхідно використовувати компроміс між термічною
ефективністю і кількістю тепла, що виділяється. У більшості випадків зниження
температури випаровування може призвести до значного збільшення кількості
виділеного тепла та щодо низького зниження теплового ККД. Якщо значення
ВИЗ робочої рідини 2 набагато більше, ніж значення ВИЗ робочої рідини 1,
вихідна потужність робочої рідини 2 завжди буде більше, ніж у робочої рідини
1, що заперечує необхідність порівняння вихідної потужності.
5. Крок 5: Серед робочих рідин із позитивними значеннями ВИЗ вибирається
та, яка має найвищу термічну ефективність як оптимальна 2. Порівнюється
65
вихідна потужність оптимальних рідин 1 і 2, яка має більш високу вихідну
потужність є оптимальною робочою рідиною. Також ця температура
випаровування є оптимальним. Процес вибору завершується.
Позитивні значення ВИЗ означають, що температура кипіння менше граничної,
а відпрацьована теплота може бути повністю відновлено. Сприйняте тепло
досягло максимально можливої кількості, та термічний ККД зменшується за
більш низьких температур випаровування. Тому немає необхідності
розраховувати робочі рідини при більш низькі температури випаровування.
Саме з цієї причини робочі рідини розраховуються від вищої
температури випаровування до нижчої температури. Після появи позитивних
значень ВИЗ процедура вибору завершується. Оскільки робочі рідини з
позитивними значеннями ВИЗ можуть відновлювати таке ж максимальне
кількість відпрацьованого тепла, робоча рідина з максимальною тепловою
ефективністю позначається як оптимальна 2.Порівнюючи вихідну потужність
оптимальних рідин 1 і 2, та, яка має вищу вихідну потужність є кінцевою
оптимальною робочою рідиною.
2.4 Вибір типу турбіни/розширювача
Вибір та визначення розмірів турбіни/розширювача є одним з найважливіших
факторів, які сильно впливають на вартість та ефективність установок ОЦР.
Розширювачі для установок ОЦР поділяються на: основі зміни швидкості
(турбіни) та розширювачі на основі зміни обсягу (об'ємні розширювачі).
Об'ємні розширювачі мають специфічне вбудоване об'ємне співвідношення, та
поділяються на:
• лопатеві розширювачі
• поршневі розширювачі
• гвинтові розширювачі
• спіральні розширювачі.
Турбіни для системи ОЦР можуть бути радіальними або осьовими залежно від
розміру установки, масової витрати та відношення тисків.
66
Осьові турбіни є кращими для великого масового витрати і низької різниці
тисків, в той час як радіальні турбіни підходять для низької масової витрати та
високої різниці тисків.
Однак турбіни не підходять для невеликих систем ОЦР (менше 150 кВт)
здебільшого через високу швидкість обертання та високу вартість. Як
правило, відновлення низькопотенційного тепла з використанням ОЦР
має вихідну потужність 1-150 кВт, тому переважними є об'ємні розширювачі,
основні виробники яких представлені в таблиці 2.6.
Таблиця 2.6 - Виробники ОЦР малої потужності
Виробники Тип розширювача Потужність, кВт.
Electra Therm,USA Гвинтові 50
Barber-Nichols,USA Осьові 15-100
Gmk,Germany Осьові 50-100
Freepower,England Осьові
60-100
Durr-cyplan,Germany Турбогенератор 70
Ener-G-Rotors, USA Гвинтові 40-60
Еranspacenergy, USA Осьові 100
Infinityturbine, USA Гвинтові 10-100
67
Aqylon, France Осьові 100
E-rational, Belgium Гвинтові 50-100
Enerbasque,Spain невідомо 20-100
Об'ємні розширювачі характеризуються меншими витратами, більш
високими коефіцієнтами тиску та значно меншими швидкостями обертання в
порівнянні з розширювачами швидкісного типу. Види об'ємних
розширювачів представлені на рис. 2.10.
Рис. 2.10 - Типи об'ємних розширювачів:
a-лопатевий; b-гвинтовий; с-поршневий; d-спіральний.
68
Для вибору розширювальних машин використовуються безрозмірні параметри,
питома швидкість та питомий діаметр. Питома швидкість та питомий діаметр
розширювача вважаються як:
Де N – швидкість, об/хв;
D – діаметр, фут;
V - об'ємна витрата, фут3 / сек;
H – теплоперепад на розширювачі, кДж/кг.
Розширювачі з аналогічною геометрією матимуть однакову ефективність при
однаковій швидкості, незалежно від різниці в типі або числа Рейнольдса. Для
певних умов експлуатації можна визначити питомий діаметр та питому
швидкість, і можна вибрати відповідний розширювач.
Гвинтовий та спіральний розширювачі є єдиними об'ємними розширювачами,
які є у продажу та використовуються в системах ОЦР. Тим не менш, гвинтові
розширювачі не підходять для виробництва електроенергії менше 25 кВт, тому
що вартість гвинтового розширювача буде дуже високою через чутливість
конструкції та виготовлення гвинта. Тому спіральний розширювач є найбільш
відповідним об'ємним розширювачем в діапазоні 1-25 кВт через простий
структури, здатності працювати у двофазному розширенні, низькій вартості та
щодо високої ізоентропічної ефективності. Хоча поршневі розширювачі
забезпечують великий ступінь розширення та високу ізоентропічну
ефективність, але мають дуже складну структуру, що не можуть працювати при
розширенні з вологою парою, піддаватися коливань потоку (вібрації) під час
роботи та вимагають балансування.
69
2.5 Моделювання процесів в елементах ОЦР та вибір робочого тіла
2.5.1 Моделювання термодинамічних процесів в елементах ОЦР
В основі моделювання термодинамічних процесів робочих тіл, засноване на
базі CoolProp, лежать рівняння енергії Гельмгольца. Це найбільш зручна форма
рівняння стану, оскільки всі термодинамічні властивості виходять із частинних
похідних рівняння енергії Гельмгольца. Основна перевага даних рівнянь — це
розрахунок параметрів справедливих всім станів робочого тіла. Частинні
похідні рівняння енергії Гельмгольца виводять з допомогою безрозмірних
величин δ і τ:
δ= ρ/ρс
τ =Тс/Т
Індексу “c” відповідають параметри у критичній точці для чистих рідин або
максимальна температура насичення для нечистих рідин.
Безрозмірна енергія Гельмгольца задається за допомогою:
α=αи + αР
Де αи−частка ідеального газу в енергії Гельмгольца а αР
−частка неідеального
збіги енергії Гельмгольца. Точна форма енергетичних частин Гельмгольца
залежить від рідини, але щодо простим прикладом є азот, який має ідеальну
газову енергію Гельмгольца:
У цих рівняннях всі доданки, крім δ і τ є кореляційними параметрами.
70
Інші термодинамічні параметри визначаються за допомогою аналітичних
похідних від членів рівняння енергії Гельмгольца Тиск, питома внутрішня
енергія, питома ентальпія та питома ентропія визначаються як
Питома ізохорна та ізобарна теплоємності визначаються як:
Рішення даних виразів було здійснено за допомогою
моделювання термодинамічних процесів, що протікають в елементах
ОЦР двома способами:
• Через прикладний пакет SmoWeb (рис. 2.11)
• Через калькулятор властивостей робочих рідин написаний самостійно з
урахуванням CoolProp (рис. 2.12)
71
Рис. 2.11 – Калькулятор властивостей програми SmoWeb
Як показали розрахунки похибка у визначенні моделюваних параметрів між
цими двома способами становить менше десятого відсотки. Тому для
моделювання термодинамічних процесів ОЦР була використана програма
SmoWeb, яка дозволяє відразу моделювати ОЦР з регенерацією та без.
Рис. 2.12 – Калькулятор властивостей робочих рідин
2.5.1 Моделювання термодинамічних процесів в елементах ОЦР
72
Враховуючи властивості робочих рідин, поданих у розділі 2.3 при аналізі
органічних робочих тіл для використання як робочого тіла, було обрано 12
робочих рідин. Властивості цих робочих рідин отримані у SmoWeb
представлені у таблиці 2.2.
Таблиця 2.2 - Аналізовані робочі рідини та їх властивості
Робоча Критична Критичний Тиск насичення
рідина температура, ̊С тиск, бар при температурі
40 °С
R134a 101,06 40,59 10,17
R227EA 101,75 29,25 7,02
R142b 137,11 40,55 5,22
R600a 134,667 36,29 5,31
R12 111,97 41,361 9,58
R141b 204,35 42,12 1,329
R152a 113,26 45,20 9,096
R245fa 154,01 36,51 1,7
У цьому дослідженні було прийнято такі об'єкти
дослідження:
- Теплота анодних газів, що йдуть, на Алюмінієвому заводі
- Теплота газів і гаряча вода на котельнях.
73
- Теплота газів, що йдуть, і гаряча вода (пар) на ТЕЦ
Розрахунок оптимальної робочої рідини та температури випаровування був
вироблений за запропонованою методикою з підведенням теплової енергії у
вигляді гарячої води із температурним графіком 120/70 °С.
Оскільки температура джерела тепла приймається рівною 120 °С, то
розрахунок проводиться від температури випаровування 105 ° С, як видно з
таблиці 2.3 при цій температурі частка засвоєння тепла % Qmax у всіх робочих
тіл низька тому що їх температура кипіння вища за граничну. Розрахунки
теплоти приймалися на витрати робочого тіла 1 кг/с.
Згідно з прийнятою методикою вибору тіл слід знизити температуру
випаровування. При розрахунку температуру випаровування 90 °С, таблиця 2.5
видно, що температура кипіння робочого тіла R142b нижча від граничної, про
що свідчить позитивний ВИЗ. Отже, далі за кроком 5 слід розрахувати з якої
саме температури ВИЗ стає позитивний, тому що при зменшенні температури
зменшуючи термічний ККД ОЦР.
Таблиця 2.3 – розрахунок параметрів утилізації прийнятих робочих тіл за
температури випаровування 105 °С
Марка Твип, ° С Δh, r, qут,кВт/к P, Qмах, %
робочог кДж/ кДж ВИЗ г кВт/кг
о кг кг
тіла
R134a 105
R227EA 105
R142b 105 116,44 106,58 -1,174 37,3 3,731 12,71
R141b 105 177,94 87,14 -1,007 30,2 3,016 10,33
R290 105
74
R600a 105 184,37 203,10 -0,667 40,1 4,009 13,67
R12 105 32,13 92,59 -1,850 52,6 5,257 17,93
R152 105 243,88 168,3 -0,965 48,1 4,807 16,39
R245fa 105 116,44 106,58 -1,151 36,2 3,617 12,34
Таблиця 2.4 – розрахунок параметрів утилізації прийнятих робочих тіл за
температури випаровування 90 °С
Марка Tвип,°С Δh, r, ВИЗ qут,кВт/к P, кВт/кг Qмах, %
робочог кДж/ кДж/ г
о кг кг
тіла
R134a 90 82,48 86,51 -0,8 163,7 16,4 55,81
R227EA 90 53,34 69,61 -1,2 148,0 14,8 50,46
R142b 90 191,25 61,13 0,2 293,3 31,4 100
R141b 90 144,66 73,03 -0,2 249,8 25,0 85,16
R290 90 132,76 176,56 -0,5 146,8 14,7 50,05
Propane)
R600a 90 233,33 138,25 -0,2 225,2 22,5 76,76
R12 90 181,44 69,68 0,1 293,3 29,3 100
R152 90 164,28 106,20 -0,3 213,4 21,3 72,75
R245fa 90 180,2 61,13 0,2 293,3 30,8 100
Розрахунок робочих рідин при температурі 90 °С, показав що три фреону R12,
R142b та R245fa мають схожу ефективність. Визначення найбільш ефективного
75
робочого тіла проводиться збільшенням температури насичення до значень
ОПР менше нуля, а також порівнянням робочих рідин за екологічними та
енергетичними характеристиками.
Результати розрахунку робочих тіл представлені у таблицях 2.5-2.8
Таблиця 2.5 – розрахунок параметрів утилізації фреону R142b за температури
випаровування 90-95 °С
Tвип,°С Δh, r, ВИЗ qут,кВт/кг P, кВт/кг Qмах, %
кДж/ кДж/
кг кг
90 191,2 61,133 0,21 293,3 31,4 100
91 190,6 62,409 0,12 293,3 31,4 100
92 189,9 63,687 0,03 293,3 31,4 100
93 189,3 64,968 -0,06 278,84 29,8 95,07
94 188,7 66,252 -0,14 258,01 27,6 87,96
95 188,0 67,538 -0,22 237,88 25,4 81,10
Таблиця 2.6 - розрахунок параметрів утилізації фреону R12 при температурах
випаровування 90-95 °С
Tвип,°С Δh, r, ВИЗ qут,кВт/кг P, кВт/кг Qмах, %
кДж/ кДж/
кг кг
90 181,4 69,7 0,035 293,3 29,3 100
91 180,9 71,1 0,01 293,3 29,3 100
92 180,2 72,6 -0,006 262,7 28,7 89,57
76
93 179,6 74,1 -0,02 244,0 26,7 83,19
94 179,1 75,5 -0,04 226,0 24,7 77,05
95 178,4 77,0 -0,06 208,5 22,8 71,08
Таблиця 2.7 – розрахунок параметрів утилізації фреону R245fa за температури
випаровування 90-95 °С
Tвип,°С Δh, r, ВИЗ qут,кВт/кг P, кВт/кг Qмах, %
кДж/ кДж/
кг кг
90 180,2 61,1 0,2 293,3 30,8 100
91 179,6 62,4 0,1 293,3 30,8 100
92 179,0 63,7 -0,02 287,4 27,6 97,98
93 178,4 65,0 -0,1 266,8 25,6 90,96
94 177,8 66,2 -0,2 247,0 23,7 84,21
95 177,2 67,5 -0,3 227,7 21,9 77,64
Таблиця 2.8 - Екологічні та енергетичні характеристики робочих рідин з
найкращими показниками
Показник R142b R12 R245fa
Дифторентан CF2Cl2 Гідрофторвуглець
Хімічна формула C2F2CLH3 HFC
Озоноруйнуючий 0,065 0,9 0,082
потенціал (ODP)
77
Потенціал 2000 8500 1300
глобального
потепління (GWP)
Клас небезпеки 3 4 3
Температура 590 330 567
самозаймання, ̊С
Гранична 92 91 91
температура
насичення, ̊С
Питома 31,412 29,3 30,802
потужність при
граничної
температури
насичення, кВт/кг
Як видно з таблиць найефективнішим тілом для аналізованих джерел теплоти є
фреон R142b. У випадку, коли установка впроваджується на підприємство з
класом небезпеки 2. Вибір робочого тіла у таких випадках питання техніко-
економічного обґрунтування.
2.6 Висновки за розділом 2
1. Представлено математичну модель розрахунку термодинамічних процесів у
елементах установок ОЦР. Здійснено порівняння двох програм з розрахунку
властивостей органічних рідин, програма SmoWeb прийнято для подальшого
моделювання установок ОЦР на джерелах низько потенційної теплоти.
2. Запропоновано критерій вибору робочого тіла для установок ОЛР що
застосовуються для утилізації на теплотехнологічних об'єктах.
78
Показано залежність цього критерію від типу робочого тіла, прихованої
теплоти
перетворення та питомої теплоти підігріву.
РОЗДІЛ 3.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ
ПРОЦЕСІВ У ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВІЙ УСТАНОВЦІ
ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА НА 4 КВТ
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розр об. Левченко РОЗДІЛ 3 Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
ТЕРМОДИНАМІНИХ ПРОЦЕСІВ У
Реценз. ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВІЙ УСТАНОВЦІ
Н. Контр. ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА НА 4 КВТ ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
79
РОЗДІЛ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВІЙ
УСТАНОВЦІ ОРГАНІЧНОГО ЦИКЛУ РЕНКІНА НА 4 кВт
3.1 Принцип та особливості роботи установки
Установка, що працює на органічному циклі Ренкіна, повинна забезпечувати
надійне виробництво електричної енергії, контролювати основні параметри,
мати запас робочого тіла на пуск та зупинення установки.
Схема установки, що відповідає цим вимогам, представлена на рис. 3.2.
Заповнення робочим теплом установки проводиться в ресивері, також він
служить запасом робочого тіла під час зупинки. Сепаратор додається до
установку для видалення рідкої фази з парів фреону після випарника, при
цьому збільшується термін служби розширювача.
Цикл випарник — сепаратор- ресивер-поживний насос є пусковим, як тільки
температура фреона стає рівною розрахунковою він надходить на розширювач.
Дляконтролю параметрів та перемиканням між режимами установки була
80
розроблено схему КВП рис.3.1.
Рис. 3.1 - Схема КВП установки ОЦР 4 кВт. Крапки 1-4 на малюнку
відповідає точкам на p-h діаграмі фреону R142b (Рис. 3.3)
Рис. 3.2 - Технологічна схема установки ОЦР 4 кВт:
81
1 – джерело теплової енергії; 2 – випарник; 3 – насос, що подає;
4 – сепаратор; 5 – турбіна; 6 – електрогенератор; 7 – конденсатор;
8 – градирня; 9 – циркуляційний насос; 10 – ресивер; 11 - живильний насос.
3.2 Розрахунок та проектування установки ОЦР потужністю 4 кВт
Параметри низькопотенційного джерела тепла, необхідні для розрахунків,
наведені у таблиці 3.1
Таблиця 3.1 – параметри низькопотенційного джерела тепла
Теплова Температура води Температура води Температура
потужність котла, на вході, ̊С на виході, °C охолоджувальної
кВт води
на вході, °C
40 95 70 26
За допомогою програмного пакета, було зроблено розрахунок та знайдено
оптимальне робоче тіло фреон R142b за допомогою методики розділу 2.3
температура випаровування 92 °C, як вказувалося в розділі 2.4 тип
розширювача спіральний.
Термічний ККД установки ОЦР визначається як:
ηоцр =h3 − h4/h3 − h2
де h3 - ентальпія насиченої пари після випарника, кДж / кг;
h4 – ентальпія пари після розширювача, кДж/кг;
h2 – ентальпія рідини на вході у випарник, кДж/кг;
Ентальпія насиченої пари, кДж/кг, визначається за температурою
випаровування робочого тіла та ступеня сухості 1.
Ентальпія пари після розширювача, кДж/кг, визначається за формулою:
82
h4 = h3 − (h3 − h4ад) ∙ ηoi
де h4ад - ентальпія пара на виході ОЦР турбіни при теоретичному
процесі розширення;
ηoi = 0,8 – ізоентропічна ефективність спірального розширювача
h4ад = f(s3, Pконд).
Де Pконд – тиск робочого тіла у конденсаторі.
Ентальпія рідини на вході у випарник, кДж/кг, визначається як
функція від ступеня сухості при тиску конденсації:
h2 = f(P3, x = 0).
Потужність ОЦР установці знаходиться за формулою, МВт:
Nоцр = Qвип ∙ ηоцр
де Qвип - потужність теплового потоку у випарнику ОЦР контуру, кВт;
Значення термодинамічних параметрів робочого тіла даної установки в
робочому режимі наведено у таблиці 3.2 P-H діаграма циклу роботи даної
установки представлено на рис.3.3.
Таблиця 3.2 - Параметри робочого тіла в контурі ОЦР
Точка 1 2 3 4
Тиск, МПа 0,523 1,3 1,3 0,523
Температура, ̊ 35 35,4 90 57,21
С
83
Ентальпія, 245,43 246,15 479,47 460,65
кДж/кг
Щільність, 1085,62 1087,75 479,47 460,65
кг/м3
Рис. 3.3 – P-H діаграма циклу установки ОЦР на 4 кВт.
За отриманими даними було здійснено розрахунок та підбір обладнання для
установки. Технічні параметри представлені у таблиці 3.3, а модель
установки виконана у “Solidworks” на рис. 3.4, дослідно-промислова
Установка представлена на рис. 3.5 та 3.6.
1. Таблиця 3.3 – Основні параметри установки
Параметр Значення
Температура джерела тепла, °С 95
84
Потужність установки, кВт 4,0
ККД установки, % 10,006
Габарити, мм 2000 х 800 х 1500
Маса 150 кг
Рис. 3.4 — Модель установки ОЦР на 4 кВт
85
Рис. 3.5 – Дослідно-промислове устаткування ОЦР на 4 кВт.
86
Рис. 3.6 – Дослідно-промислове устаткування ОЦР на 4 кВт
3.3. Методика експериментального дослідження та використовуване
обладнання
Для оцінки термодинамічних параметрів установка ОЦР підключалася до
джерела теплової енергії – твердопаливний котел тривалого горіння Heizer Trio
за допомогою термошлангів.
87
Рис. 3.7– Котел тривалого горіння Heizer Trio
Для визначення ентальпій робочого тіла згідно зі схемою КВП установки (рис.
3.1) на трубопроводах між елементами встановлені показують манометри та
термометри, а також у ресивері для контролю запасу води встановлено датчик
рівня, з'єднаний через перетворювач інтерфейсу із контролером СПК-200.
88
Рис. 3.8 – Вимірювачі, що використовуються для дослідження: а-манометр; б-
термометр; в-датчик рівня.
Для
відведення тепла з циклу ОЦР використовується градирня ГРД-4Н, а для
передачі тепла робочому тілу та охолоджуючої води використовуються
пластинчасті теплообмінники РІДАН. Для подачі робочого тіла та води
використовуються насоси Grundfoss і Pedrollo, а як ресивер використовується
гідроакумулятор Мал. 3.9.
3.4. Оцінка похибки вимірів
89
Вимірювання температури проводилося термометрами, що показують.
ТБП-100, похибка яких для досліджуваних діапазонів температур
становить 2-3 ° С (за паспортом).
Вимірювання тиску здійснювалося манометрами, що показують ТМ-110Т.00,
похибка якого становить ±100 кПа. Рівень у ресивері мірявся за допомогою
датчика ПДУ 1.1.200/3 підключеного через перетворювач інтерфейсу до
контролера СПК-200, похибка якого становить ±2 мм.
Для оцінки впливу випадкових похибок на результати експериментів
виконували неодноразові вимірювання температури (експерименти
повторювалися) кожній точці термосифона, що реєструється. За найбільш
ймовірне значення величини x приймалося середнє арифметичне значення
результатів вимірювань:
Середньоквадратичне відхилення (СКО) результатів виміру розраховувалося за
формулою:
де N - Число експериментів.
Оскільки випадкові похибки є наслідком неконтрольованих малозначимих
процесів, щоб точно визначити інтервал зміни вимірюваної величини, як
правило, важко інтервал можна встановити лише з деякою довірчою
ймовірністю Пе. Для оцінки похибок Результати вимірювань в експериментах
прийнято довірча ймовірність Pе. = 0,95. За такої ймовірності можна вважати,
що справжнє значення величини x не відрізняється від величини середнього
арифметичного значення більше ніж на ±∆x. значення
коефіцієнта
Стьюдента вибиралося з таблиці
90
Довірчий інтервал випадкової похибки вимірювань:
∆xсл = τα(n) ∙ Sx̅
Абсолютна похибка вимірювань з урахуванням випадкової та
інструментальної похибки
Множник 2/3 враховує довірчі ймовірності визначення випадкової та
інструментальної похибок. Випадкова похибка розраховувалася для довірчої
ймовірності Pе=0,95, а величина інструментальної похибки приладу
нормувалася для довірчої ймовірності Pе=1.
Відносна похибка вимірів:
ε =Δx/x̅∙ 100%
Кінцевий результат вимірів:
x=x̅± Δx
3.5. Аналіз результатів експериментальних досліджень термодинамічних
процесів
На рисунку 3.10 наведено залежності ефективності ОЦР, фреон R142b, що
використовує як робоче тіло, від температури гріючого середовища при різних
навантаженнях установки. Аналіз залежностей показав, що залежність ККД від
навантаження лінійна причому при навантаженні менше 50% кут нахилу
зменшується, а при навантаженні менше 30% установка перестає працювати.
Це пояснюється принципом роботи турбіни (розширювача) діапазон
навантаження роботи якого 30-120%. (Рис. 3.11)
Встановлено що кількість теплоти, що утилізується установкою залежить від
температури випаровування робочого тіла. Для фреону R142b мінімальна
температура при якій здійснюється повна утилізація складає 92 °С. (рис. 3.12)
На рисунках 3.13 та 3.14 представлено порівняння експериментальних
91
показників енергетичної ефективності з теоретичними. Видно що відносна
похибка, знайдена за допомогою методики оцінки помилок вимірювань між
результатами моделювання теоретичних показників ефективності та
експериментальними, визначеними за допомогою показань вимірювальних
приладів на установці ОЦР знаходиться в межах допустимою та становить 5%.
ККД ОЦР,%
Температура гріючого середовища,°С
ККД розширювача,%
92
Рис. 3.11 – Вплив навантаження на ККД розширювача при температурі
випаровування 85-92 °С
Частка відновлення тепла
Температура випаровування, °С
Рис. 3.12– Вплив температури випаровування фреону R142b на відновлення
теплоти
Ефективність,%
93
Температура випаровування,°С
Рис. 3.13 – Вибір оптимальної температури випаровування фреону R142b:
1 – залежність частки перетворення теплоти від температури випаровування; 2
–
залежність відносного ККД ОЦР від температури випаровування.
ККД ОЦР,%
Температура джерела теплоти,°С
Рис. 3.14- Залежність ефективності ОЦР від температури джерела теплоти: 1-
теоретичні значення; 2- експериментальні значення
94
ККД ОЦР,%
Температура охолоджувальної води,°С
Рис. 3.15- Залежність ефективності ОЦР від температури охолоджувальної
води: 1-теоретичні значення; 2- експериментальні значення.
Висновки за розділом 3
1. Показано, що запропонована модель у главі 2 адекватно відображає
результати експериментальних досліджень.
2. Встановлено кількісні залежності впливу температур на ефективність роботи
системи ОЦР, які полягають у наступному:
- визначено залежність ефективності ОЦР від температури гріючого
середовища, температури холодного джерела, температури випаровування
та температури конденсації;
- визначено залежність ефективності розширювача від навантаження установки;
- визначено максимальну температуру випаровування, для фреону R142b, при
якій досягається повна утилізація теплоти, яка складає 92 °С.
95
3. Запропоновано включити в установку ОЦР ресивер та сепаратор, що
дозволяють збільшити надійність роботи установки, а також збільшити запас
робочого тіла в установці на період пуску та зупинки;
4. Розроблено режими роботи та раціональна конструкція установки ОЦР, що
працює на робочому тілі R142b, що дозволяють отримати додаткову
енергетичну потужність при утилізації на теплотехнологічних об'єктів;
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Розр о б . Л е в ч е н к о а РОЗДІЛ 4
РОЗДІЛ 4 Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Плахотний ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ АНАЛІЗ
ВПРОВАДЖЕННЯ УТИЛІЗАЦІЇ
Реце нз. НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ ТЕПЛОТИ НА
Н. Контр. ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВКАХ ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
96
ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ АНАЛІЗ ВПРОВАДЖЕННЯ
УТИЛІЗАЦІЇ НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ ТЕПЛОТИ НА
ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВКАХ
РОЗДІЛ 4 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ АНАЛІЗ ВПРОВАДЖЕННЯ
УТИЛІЗАЦІЇ НИЗКОПОТЕНЦІЙНОЇ ТЕПЛОТИ НА
ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ'ЄКТАХ
4.1 Варіанти впровадження установок ОЦР на теплотехнологічні об'єкти
Як зазначається в 1.4, основні джерела низькопотенційної енергії - це гази, що
йдуть, переважно від трьох джерел: промисловість, котельні, теплові та
електричні станції.
Особливостями впровадження утилізації тепла на виробництві – це спосіб
включення утилізаційного циклу до схеми (пряма утилізація або утилізація із
97
проміжним контуром), тип утилізації (глибока утилізація або утилізація з
охолодження джерела низькопотенційної теплоти до температури вище
температури точки роси) та конструкція органічного циклу Ренкіна
(регенеративний чи традиційний цикл).
На рисунку 4.1 представлені варіанти включення утилізації на
теплотехнологічні об'єкти
Рис. 4.1- Схема включення
утилізації з технологією ОЦР на теплотехнологічні об'єкти:
а- включення утилізації з проміжним водяним контуром, що гріє; б - пряме
включення утилізації
1-технологічна схема об'єкта впровадження утилізації; 2-рекуператор; 3-
димосос; 4 – димова труба; 5 – мережевий насос; 6 – випарник; 7-турбіна; 8-
генератор; 9 – конденсатор; 10-поживний насос; 11-цикруляційний насос; 12-
градирня.
Запропоновано встановлення на виході з котла газо-повітряного
теплообмінника для нагріву повітря. Це повітря у свою чергу гріє воду для
98
теплопостачання чи потреб. Цей спосіб дозволяє зменшити температуру газів
до десяти – п'ятнадцяти градусів вище за температуру точки роси.
Запропоновано встановлення на виході з котла газо- водяного теплообмінника
для глибокої утилізації. Цей спосіб дозволяє зменшити температуру газів до
точки роси або нижче і дозволяє конденсувати з газів водяні пари. Такий спосіб
називається глибокою утилізацією.
Оскільки багато органічних рідин мають позитивну криву нахилу, то після
розширення в турбіні вони перебувають у стані перегрітої пари. Щоб корисно
використовувати цей перегрів у схему вводять теплообмінник, званий
регенератор, який дозволяє передати цю теплоту конденсованого робочого тіла.
Такий цикл називається регенеративним.
Далі представлені комбінації варіантів включення утилізації та установок ОЦР
для утилізації або перетворення низькопотенційної енергії на аналізованих
теплотехнологічних об'єктах.
Варіант прямого включення утилізації не розглядався через зростаючих
експлуатаційних та ремонтних витрат:
- Зростають витрати на вартість випарника встановлюваного в шахту котла
(через наявність твердих частинок у газах і вимог до герметичності) на 15%
порівняно з проміжним контуром;
- Зростають витрати на регулювання температури насичення робочого тіла (т.к.
температура гріючих газів і тиск після технологічного виробництва змінюється
під час експлуатації, отже, змінюється і ВИЗ) на 8% порівняно з проміжним
контуром;
Наявність проміжного водяного контуру дозволяє розподіляти утилізовану
теплоту на електричну та теплов потужність залежно від потреб
теплотехнологічного об'єкта. Техніко-економічне порівняння цих варіантів
показують приблизно однаковий ефект, але враховуючи переваги та недоліки
варіант з проміжним контуром є раціональнішим.
4.2 Котельні
99
Не секрет, що в даний час тариф на теплову та електричну енергію в Україні
1,68 грн/кВт•год. Це пояснюється існуючим способом генерації та відсутністю
місцевої видобутку твердого палива та як наслідок доставкою його на великі
відстані. Одним із варіантів зниження тарифів є перехід на автономні вугільні
котельні для великих селищ. У структурі споживання теплової енергії явно
домінують будівлі. На них, а також на втрати теплової енергії, пов'язані з
забезпеченням теплової енергією будівель, що припадає до трьох чвертей
всього споживання тепла. В окремих населених пунктах із ізольованими
системами енергопостачання ця частка може досягати 85%. Питома витрата
теплової енергії на опалення житлового фонду в середньому в Україні значення
0,24531 Гкал/м2 на рік.
Чисельність населення в Україні не зростає,тому житлове будівництво
переважно носить місцевий характер.
Підвищені вимоги до будівництва нових будівель можуть дати лише дуже
обмежений ефект, і наголос необхідно робити на капітальний ремонт існуючого
фонду будівель.
У програмах підвищення ефективності теплопостачання реалізуються проекти з
модернізації котелень, перекладання теплових мереж з перед ізольованими
трубами, по установці ІТП у багатоквартирних будинках та будинках
соціальної сфери, з утеплення житлових будинків, обладнання побудинковими
та квартирними приладами обліку. Важливим заходом є оптимізація житлового
фонду (виведення з експлуатації частково заселених житлових будинків з
переселенням людей, з підготовкою та проведенням капремонту житлоплощі
для переселення в експлуатованих будинках).
Існує чотири різні варіанти включення установки ОЦР для утилізації тепла
газів, що відходять від котла і два варіанти включення установки ОЦР
перетворюючої низько потенційну теплову енергії від гарячої води (пара) в
електричну:
• Глибока утилізація з ОЦР без регенерації (рис. 4.7)
• Глибока утилізація з регенеративним ОЦР (рис. 4.8)
100
• Утилізація з ОЦР без регенерації (рис. 4.9)
• Утилізація з регенеративним ОЦР (рис. 4.10
В схему опалення
Рис. 4.7- Схема глибокої утилізації з ОЦР без регенерації: 1-котел; 2-
рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-поживний насос; 6- конденсатор;
7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 11-димосос; 12-димова
труба; 13-випарник; 14-насос цикруляції вод
В схему опалення
Рис. 4.8- Схема глибокої утилізації
з регенеративним ОЦР: 1-котел; 2-рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор;
5-поживний насос; 6 - конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-
мережевий насос; 10-регенеративний теплообмінник; 11-димосос; 12-димова
труба;
13-випарник; 14-насос цикруляції води.
В схему опалення
101
В схему опалення
Рис. 4.9- Схема утилізації з ОЦР без регенерації:
1-котел; 2-рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-поживний насос; 6-
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 11-
димосос; 12-димова труба; 13-випарник; 14-насос цикруляції води; 15-
повітряно-водяний підігрівач; 16-вентилятор циркуляції повітря.
В схему опалення
В схему опалення
Рис. 4.10- Схема утилізації з регенеративним ОЦР:
1-котел; 2-рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; живильний насос; 6-
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 10-
регенеративний теплообмінник; 11-димосос; 12-димова труба; 13-випарник; 14-
насос цикруляції води; 15-повітряно-водяний підігрівач; 16-вентилятор
циркуляції повітря.
Гази, що відходять, від котла 1 направляються в рекуператор 2 в якому при
глибокої утилізації віддають теплоту воді, або повітрі, що передає свою теплоту
102
воді в повітро-водяному підігрівачі 15. Далі гази, що йдуть димососом 11
видаляються в атмосферу через димову трубу 12. Гаряча вода при цьому або
прямує на теплопостачання або подається у випарник 13 контуру ОЛР, де
віддає свою теплоту фреону. Перегрітий фреон після випарника 13
направляється в турбіну 3 де розширюється здійснюючи корисну механічну
роботу, що перетворюється на електричну на електрогенератор 4. Після
розширення фреон або відразу або після
охолодження в регенеративному теплообміннику 10 напалюється в конденсатор
6 де охолоджується та конденсується. Після конденсації фреон живильним
насосом 5 подається або відразу або після підігріву теплообміннику 10
подається у виправник. Теплота, що утворюється при конденсації, відводиться
охолоджувальною водою в градирню 7, де передається навколишньому
повітрі.Циркуляцію води, що охолоджує, забезпечує циркуляційний насос 8.
Нагріте повітря після повітря водяного теплообмінника 15 подається назад в
котел вентилятором 16, де нагрівається і знову віддає теплоту воді.
Глибока утилізація дозволяє зняти більше тепла з газів, що йдуть за рахунок
конденсації водяної пари, проте при цьому в газах, що йдуть містяться так само
оксиди сірки, які при конденсації вступають в реакцію з водою утворюючи
сірчану кислоту, що призводить до сірчанокислотної корозії.
Вирішити цю проблему дозволяє використання скляного рекуператора. Даного
недоліку позбавлена схема з газо-повітряною утилізацією.
Додавання регенеративного теплообмінника підвищує вартість установки,
проте дозволяє підвищити ККД ОЦР за рахунок зменшення втрат
теплоти у конденсаторі. Ефективність впровадження регенеративного
теплообмінника залежить від використовуваного фреону та ефективності
турбіни.
Включение ОЦР использующего в качестве источника тепла сетевую воду
позволяет производить электрическую энергию из тепловой. При таком
включении увеличивается средняя нагрузка котлов и как следствие КПД
103
котлов, также при таком включении не требуется заменять дымосос как при
способах утилизации.
Кількість тепла, що утилізується від газів, що утворюються, утворюються після
спалювання Бурого вугілля, визначається як добуток витрати палива в котлі на
різницю ентальпій газів, кВт:
Q=B∙ (Hг_вх − Hгвих)
4.3 Теплові електричні станції
Швидке зростання потреб в електроенергії у XXI столітті, кризовий стан
навколишнього середовища, технологічні проблеми, які треба вирішувати для
задоволення цих потреб, виходячи із сучасних критеріїв різкого підвищення
енергоефективності, зниження витрат та мінімізації впливу на довкілля,
вимагають суттєвого розширення наукових досліджень та розробок
теплоенергетиці. Науково-дослідні, конструкторські та проектні роботи в
теплоенергетиці мають бути націлені на створення високоефективних та
екологічно безпечних ТЕС з використанням прогресивних технологій та
енергетичного обладнання, що забезпечує вирішення наступних завдань:
підвищення ефективності енергопостачання шляхом збільшення його
надійності та зниження витрат на виробництво електроенергії; максимальне
скорочення шкідливих викидів ТЕС у довкілля; збільшення продуктивності та
покращення умов праці; зниження витрат на ремонтно-відновлювальні роботи.
Існує чотири різні варіанти включення установки ОЦР для утилізації тепла
газів, що відходять від котла і чотири варіанти включення установки ОЦР
перетворюючої низько потенційну теплову енергії від гарячої води (пари) в
електричну:
• Глибока утилізація з ОЦР без регенерації (рис. 4.13)
• Глибока утилізація з регенеративним ОЦР (рис. 4.14)
• Утилізація з ОЦР без регенерації (рис. 4.15)
• Утилізація з регенеративним ОЦР (рис. 4.16)
• ОЦР на мережній воді без регенерації (рис. 4.17)
• Регенеративний ОЦР на мережній воді (рис. 4.18)
104
• ОЦР на теплофікаційному відборі пари (рис. 4.19)
• Регенеративний ОЦР на теплофікаційному відборі пари (рис. 4.20)
Рис. 4.13- Схема з глибокої утилізації з ОЦР без регенерації: 1-котел; 2-
рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-живильний насос; 6-
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 11-
димосос; 12-димова труба; 13-випарник.
Рис. 4.14- Схема з глибокої утилізації з регенеративним ОЦР: 1-котел; 2-
рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-живильний насос; 6-
105
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 10-
регенеративний теплообмінник; 11-димосос; 12-димова труба; 13-
випарник.
106
Рис. 4.15 - Схема утилізації з ОЦР без регенерації:
1-котел; 2-рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-живильний насос; 6-
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 11-
димосос; 12-димова труба; 13-випарник; 14-повітряно-водяний підігрівач; 15-
вентилятор циркуляції повітря
Рис. 4.16 - Схема утилізації з регенеративним ОЦР
1-котел; 2-рекуператор; 3-турбіна; 4-електрогенератор; 5-живильний насос; 6-
конденсатор; 7-градирня; 8-цикруляційний насос; 9-мережевий насос; 10-
107
регенеративний теплообмінник; 11-димосос; 12-димова труба; 13-випарник; 14-
повітряно-водяний підігрівач; 15-вентилятор циркуляції повітря.
Рис. 4.17 - Схема ОЦР на мережевій воді без регенерації:
1-котел; 2-турбіна; 3-електрогенератор; 4-конденсатор; 5-верхній
мережевий підігрівач; 6-нижній мережевий підігрівач; 7-мережевий насос; 8-
випарник; 9-турбіна ОЦР; 10 - електрогенератор ОЦР; 11-конденсатор; 12-
живильний насос ОЦР; 13-градирня; 14-циркуляційний насос.
Рис. 4.18 - Схема ОЦР на мережевій воді з регенерацією: 1-котел; 2-турбіна; 3-
електрогенератор; 4-конденсатор; 5-верхній мережевий підігрівач; 6-нижній
мережевий підігрівач; 7-мережевий насос; 8- випарник; 9-турбіна ОЦР; 10 -
108
електрогенератор ОЦР; 11-конденсатор; 12- живильний насос ОЦР; 13
градирня; 14-циркуляційний насос; 15- регенеративний теплообмінник.
Рис. 4.19- Схема ОЦР на теплофікаційному відборі пари: 1-котел; 2-турбіна; 3-
електрогенератор; 4-конденсатор; 5-перегрівач; 6-випарник; 9-турбіна ОЦР; 10
- електрогенератор ОЦР; 11-конденсатор; 12-живильний насос ОЦР; 13-
градирня; 14-циркуляційний насос.
Рис. 4.20- Схема
регенеративного
109
ОЦР на теплофікаційному відборі пари: 1-котел; 2-турбіна; 3-електрогенератор;
4-конденсатор; 5-перегрівач; 6-
випарник; 9-турбіна ОЦР; 10 - електрогенератор ОЦР; 11-конденсатор; 12-
живильний насос ОЦР; 13-градирня; 14-циркуляційний насос; 15-
регенеративний підігрівач.
При утилізації гази, що йдуть від котла 1, направляються в рекуператор 2 в
якому при глибокій утилізації віддають теплоту воді або повітрі який передає
свою теплоту воді у повітро-водяному підігрівачі 14. Далі гази, що йдуть
димососом 11 видаляються в атмосферу через димову трубу 12. Гаряча вода
при цьому або прямує на теплопостачання або подається у випарник контура 13
ОЦР, де віддає свою теплоту фреону. Перегрітий фреон після випарника 13
направляється в турбіну 3 де розширюється здійснюючи корисну механічну
роботу, що перетворюється на електричну на електрогенераторі 4. Після
розширення фреон або одночасно або після охолодження в регенеративному
теплообміннику 10 напалюється в конденсатор 6 де охолоджується та
конденсується. Після конденсації фреон поживним насосом 5 подається або
відразу або після підігріву теплообміннику 10 подається у виправник. Теплота,
що утворюється при конденсації відводиться охолоджувальною водою в
градирню 7 де передається навколишнього повітря. Циркуляцію
охолоджувальної води забезпечує циркуляційний насос 8. Нагріте повітря після
повітря водяного теплообмінника 14 подається назад у котел вентилятором 15
де нагріваєтьсяі знову віддає теплоту воді.
При теплофікації теплота до ОЦР підводиться або з мережевою водою
випарник 8 або безпосередньо пором теплофікаційних відборів у випарник
6 і перегрівач 5 де відбувається нагрівання, випаровування та перегреф фреону.
Де розширюється здійснюючи корисну механічну роботу, що перетворюється
на електричну на електрогенераторі 4. Після розширення фреон або одночасно
або після охолодження в регенеративному теплообміннику 15 напалюється в
110
конденсатор 11 де охолоджується та конденсується. Після конденсації фреон
поживним насосом 12 подається або відразу або після підігріву
теплообміннику 15 подається у виправник. Теплова енергія, що виділяється при
конденсації відводиться охолоджувальною водою в градирню 13, де
передається навколишньому повітрі. Циркуляцію охолоджувальної води
забезпечує циркуляційний насос 14.
Глибока утилізація дозволяє зняти більше тепла з газів, що йдуть за рахунок
конденсації водяної пари, проте при цьому в газах, що йдуть містяться так само
оксиди сірки, які при конденсації вступають в реакцію з водою утворюючи
сірчану кислоту, що призводить до сірчанокислотної корозії.
Вирішити цю проблему дозволяє використання скляного рекуператора. Даного
недоліку позбавлена схема з газо-повітряною утилізацією.
Додавання регенеративного теплообмінника підвищує вартість установки,
проте дозволяє підвищити ККД ОЦР за рахунок зменшення втрат
теплоти у конденсаторі. Ефективність впровадження регенеративного
теплообмінника залежить від використовуваного фреону та ефективності
турбіни.
Включення ОЦР використовує як джерело тепла мережеву воду дозволяє
виробляти електричну енергію із теплової. При такому включення збільшується
коефіцієнт використання теплофікаційних турбін, і як наслідок знижується
собівартість виробництва електричної енергії покращується надійність роботи.
Підведення до ОЦР як джерело теплоти теплофікаційного відбору пари
дозволить збільшити ступінь перегріву фреону та ККД, але спричинить
збільшення капітальних витрат на окремі теплообмінники та систему
регулювання розподілу пари між мережевими підігрівачами та ОЦР.
Кількість тепла, що утилізується від газів, що уходять після спалювання
Бурого вугілля рахується аналогічно котельним
111
4.4 Проектування вузла утилізації на ТЕЦ
Проектування найбільш кращого варіанта складається з двох частин:
проектування вузла утилізації та проектування ОЦР.
Проектування ОЦР розглянуто у розділах 2 та 3.
Як прототип теплообмінника вузла утилізації було взято конденсаційний
теплоутилізатор димових газів поверхневого типу, трубчастий, схематичне
зображення якого представлено на Рис. 4.21.
Димові гази рухаються всередині трубного пучка 9, що заповнюють об'єм
резервуара 3, де в міжтрубному просторі рухається середовище, що
нагрівається, подається по чотирьох паралельних потоках через патрубок 4 і
видаляється через патрубок 6. Корпус теплоутилізатора 1, крім резервуара 3,
включає два рукави 7 і 8, розділених по висоті на секції (одинарні 10 та
подвійні
112
11) в організацію багатоходового руху газів. Конденсат, що виділяється з
димових газів, збирається і видаляється трубками в баки
збору конденсату 17 та 18.
Результати проектування утилізатора, представлені на рис. 4.22-4.24
Рис. 4.22 – 3D Модель утилізатора
1) Корпус;
2) Основа;
3) Кришка;
4) Патрубок підведення води;
5) Одинарна секція;
6) Подвійна секція;
7) Перепускна шахта;
8) Патрубок відведення води;
9) Трубний пучок;
10) Опорна балка;
11) Бак збирання конденсату;
12) Труба для відведення конденсату.
113
Рис. 4.23 – Креслення основного виду утилізатора
114
Рис. 4.24 – Вид спереду та вид зверху утилізатора
115
4.5 Висновки за розділом 4
Впровадження утилізації економічно доцільно усім розглянутих об'єктах
Причому найефективнішою технологією в більшості випадків є глибока
утилізація з регенерацією, а найефективнішими об'єктами застосування є
невеликі котельні. Це пояснюється існуючим запасом потужності та великими
тарифами на енергію. Використання утилізації на об'єктах енергетики та
промисловості веде до економії природних ресурсів та зниження впливу на
екологію.
116
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
Магістерська робота присвячена розробці науково-методичних основ
проектування системи утилізації низькопотенційного тепла основі ОЦР.
Виконане дослідження розвиває методи моделювання процесів та об'єктів
теплотехніки на прикладі установок ОЦР з метою пошуку оптимальних рішень
підвищення енергоефективності провадження на досліджуваних об'єктах.
Отримані у роботі дані
сприяють розвитку та реалізації енергозберігаючих технологій при утилізації
низькопотенційної теплоти. Енергоефективність об'єктів, що розглядаються,
досягається за рахунок утилізації теплоти тих, хто йде газів та підвищення
економічності виробництва за рахунок додаткової
потужності за номінального навантаження. До основних результатів роботи
можна віднести наступне:
1. Удосконалено методику визначення робочого тіла для технології ОЦР –
запропонований критерій, що дозволяє визначити мінімальну температуру
насичення робочого тіла, необхідну для повної утилізації теплоти, що враховує
конструктивні та режимні особливості енергетичних установок, що забезпечує
адекватну оцінку показників енергетичної ефективності технології ОЦР на
тепло-
технологічних об'єктів.
2. Розроблено модель термодинамічних процесів в установках ОЦР, система
рівнянь та крайові умови, що враховують конфігурацію ОЦР, вибір типу
утилізації теплоти, вплив температури випаровування та типу розширювача на
ефективність та повноту утилізації. Показано, що модель адекватно відбиває
результати експериментальних досліджень.
3. Встановлено кількісні залежності впливу
117
термодинамічних параметрів на ефективність роботи системи ОЦР з робочим
тілом R142b, які полягають у наступному:
- визначено залежність ефективності ОЦР від температури гріючого
середовища, температури холодного джерела, температури випаровування та
температури конденсації;
- визначено оптимальну температуру випаровування з урахуванням повноти
утилізації та ефективності ОЦР.
4. Розроблено режими роботи та раціональна конструкція установки ОЦР, що
працює на робочому тілі R142b, із включенням до її складу ресивера
та сепаратора, що дозволяють отримати додаткову енергетичну потужність при
утилізації на теплотехнологічних об'єктах та збільшити
надійність роботи установки та запас робочого тіла на період пуску та зупинки.
118
РОЗДІЛ 5
ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ
СИТУАЦІЯХ
МР 07.144.22.007
Змн. Арк. № докум. Підпис Дат
Розроб. Левченко а
Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Цікановський РОЗДІЛ 5
Реценз. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В
Н. Контр. НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ ЧДТУ, мТЕ-78
Затверд. Калєйніков
119
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
В.о. завідувача кафедри енерготехнологій
_______________ (Г.Є. Калєйніков)
“___” __________ 2022 р.
Розділ 5. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
тема:
Вимоги безпеки до обладнання, яке використовує теплову енергію
МКР 20.144.22
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи: Левченко С.О.
_______________________________________________________________________________________________
(підпис, дата)
Науковий керівник: Цікановський Л.В.
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
120
Рецензент:
____________________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2022 р.
1. Використання теплової енергії
1.1. Загальні вимоги до експлуатації тепловикористовувальних
установок
1.1.1. Тепловикористовувальні установки, які проектуються,
вводяться в експлуатацію чи реконструюються, повинні задовольняти
вимоги відповідних ГОСТ, СНіП, ДСН, відповідати вимогам щодо
енергозбереження, екологічності, пожежобезпеки, мікроклімату,
шуму, освітлення, захисту від електромагнітних полів, промислової
санітарії та використовуватися в межах технічних можливостей та
економічної ефективності.
У системах з виділенням гарячих газів та відведенням гарячої
води та конденсату необхідно передбачати використання
теплоутилізаційних установок.
У системах вентиляції слід передбачати використання тепла
вентиляційних викидів.
Відмова від застосування вторинних енергоресурсів
обґрунтовується техніко-економічним розрахунком.
1.1.2. Тепловикористовувальні установки обладнуються:
- східцями та майданчиками для забезпечення доступу до
основних елементів і ЗВТ, які потребують обслуговування та
систематичного огляду;
- запірною арматурою на лініях входу та виходу нагрівального
та нагрівного середовищ;
- запобіжними клапанами відповідно до вимог чинних НД;
- водовказівними приладами показу рівня води в разі, коли
121
ведеться спостереження за рівнем або станом рідини чи маси в
установці;
- пристроями для відбору проб і видалення повітря, газів і
конденсату;
- манометрами та термометрами для вимірювання тиску і
температури нагрівального та нагрівного середовищ;
- приладами для обліку витрат теплоносія і теплової енергії;
- іншими приладами і автоматикою, передбаченими проектом.
1.1.3. Приєднання різних систем теплоспоживання здійснюється
окремими трубопроводами. Послідовне включення різних систем
теплоспоживання недопустиме.
1.1.4. Параметри теплоносія, який подається на
тепловикористовувальну установку, мають відповідати значенням,
передбаченим технологічним режимом її роботи, але не перевищувати
паспортних даних.
У разі, коли тепловикористовувальні установки розраховано на
тиск, нижчий, ніж у ДТ, слід передбачати пристрій для зниження
тиску, а в разі потреби і температури.
Межі коливань параметрів теплоносія вказуються в інструкції з
експлуатації конкретної тепловикористовувальної установки.
1.1.5. Позачергові гідравлічні випробування та внутрішні
огляди тепловикористовувальних установок здійснюються після
закінчення капітального ремонту, реконструкції (модернізації), а
також у разі, якщо установка не діяла понад 6 місяців, або за
вимогою Держенергонагляду.
1.1.6. Тепловикористовувальні установки підвищеної
небезпеки, у яких збільшення чи зменшення значень параметрів або
витрати теплоносія може спричинити аварію та загрожувати життю
обслуговувального персоналу, населенню, обладнуються відповідними
пристроями для запобігання травматизму та пошкодження устатковання
122
або його елементів.
1.1.7. Конструкція і стан пускових пристроїв (пускових
кнопок, важелів ручного керування тощо) повинні забезпечувати
швидке і надійне вмикання та вимикання устатковання і ділянок
теплопроводів та унеможливити самовільне спрацьовування.
1.1.8. Конструкція та розміщення аварійних вимикачів і
кнопок дистанційного керування устаткованням мають забезпечувати
можливість користування ними з різних робочих позицій.
1.1.9. Усі пускові пристрої повинні мати написи, що вказують
на їхнє призначення.
Маховики основних оперативних та аварійних засувок і вентилів
слід позначити стрілками, що вказують напрямок обертання під час
їх відкривання чи закривання.
1.1.10. Усі зовнішні частини тепловикористовувальних
установок і теплопроводи, що розташовані у виробничих приміщеннях,
слід ізолювати таким чином, щоб температура поверхні ізоляції не
перевищувала 43 град. С за температури навколишнього середовища не
більше ніж 25 град. С.
Якщо тепловикористовувальні установки розташовані на
відкритому повітрі (за межами споруд, будинків), теплова ізоляція
повинна мати гідроізоляційне покриття.
У тих місцях тепловикористовувальних установок, де за різних
умов потрібен огляд поверхонь під ізоляцією, слід передбачати
можливість зняття ізоляції, уникаючи її пошкоджень.
- виявлено недопустимий витік теплоносія.
1.1.11. Обслуговування, ремонт (крім перемотування
електродвигунів) і профілактичні випробування електроприводів
запірної та регулювальної арматури, на які впливають автоматичні
регулятори, виконує персонал, котрий обслуговує прилади теплового
контролю.
123
1.2. Тепловимірювальні прилади, автоматика, метрологічне
забезпечення
1.2.1. Нижченаведені вимоги поширюються на тепловимірювальні
прилади і автоматичні регулятори теплових процесів та прилади
обліку теплової енергії, що забезпечують правильність та
економічність ведення технологічного режиму, безпечну роботу
устатковання, контроль та облік витрат теплової енергії і
теплоносія.
1.2.2. Усі пристрої, що стосуються тепловимірювальних
приладів, а також засобів теплової автоматики і керування запірною
та регулювальною арматурою, мають бути справними і під час роботи
устатковання перебувати в робочому стані або стані резерву, якщо
це передбачено проектом.
1.2.3. За технічний стан та безпечну експлуатацію засобів
контролю та вимірювань, автоматичних пристроїв, приладів обліку
теплової енергії суб’єкта господарювання, установи, організації
відповідає керівник (власник).
1.2.4. Експлуатацію, технічне обслуговування, ремонт засобів
контролю та вимірювань, автоматичних пристроїв, приладів обліку
теплової енергії виконують структурні підрозділи суб’єкта
господарювання, організації, установи, діяльність яких
здійснюється на підставі чинних НД.
У разі відсутності таких підрозділів ці функції можуть
виконувати спеціалізовані організації, які мають право на
виконання даних видів робіт.
1.2.5. Теплові щити, перехідні коробки та збірні кабельні
ящики повинні бути пронумеровані. Усі затискачі та дроти, що
підходять до них, а також з’єднувальні лінії засобів вимірювання
та контролю, автоматичних регуляторів та приладів обліку теплової
енергії і об’єму (маси) теплоносія повинні маркуватися згідно з
124
монтажною схемою. Усі первинні перетворювачі і вторинні прилади
позначаються написами щодо їх призначення.
1.2.6. Монтаж засобів вимірювання та контролю, автоматичних
пристроїв, приладів обліку теплової енергії і об’єму (маси)
теплоносія має відповідати вимогам чинних НД.
1.2.7. Автоматичні регулятори та пристрої дистанційного
керування, що встановлюються на ДТ, оснащуються засобами
автоматичного включення резервного електроживлення із світловою та
звуковою сигналізацією.
Масляні, компресорні та насосні установки, призначені для
живлення систем дистанційного керування, повинні оснащуватись
автоматичним уключенням резерву із світловою та звуковою
сигналізацією.
1.2.8. Вимірювання фізичних величин технологічних параметрів
теплових установок і мереж здійснюється засобами вимірювальної
техніки, метрологічні характеристики яких вибрані на підставі
проектних норм точності вимірювань технологічних параметрів, з
урахуванням вимог чинних державних і галузевих НД з питань
вимірювань. Витратоміри змінного перепаду тиску мають
забезпечувати вимірювання витрат теплоносія з точністю, не гіршою,
ніж зазначено в розрахунку звужувального пристрою витратоміра.
Розрахунок звужувального пристрою витратоміра змінного
перепаду тиску, результати вимірювання якого використовуються для
комерційного обліку теплової енергії та об’єму (маси) теплоносія,
необхідно погоджувати з територіальним органом Центрального органу
виконавчої влади у сфері метрології (метрологічний центр ЦОВМ).
1.2.9. З’єднувальні лінії до дифманометрів виконуються з
герметичних трубок та прокладаються з нахилом в один бік не менше
ніж 1:10 і знаходяться в однакових температурних умовах. Внутрішні
діаметри з’єднувальних трубок від звужувальних пристроїв до
125
вирівнювальних (конденсаційних) посудин повинні бути не менше ніж
12 мм, а від посудин до дифманометрів - не менше ніж 8 мм.
З’єднувальні лінії слід продувати один раз на тиждень.
1.2.10. Манометри підбираються таким чином, щоб максимальний
вимірюваний робочий тиск становив 2/3 їх шкали за постійного
навантаження і половину шкали - за змінного навантаження.
Вимірювання мінімального тиску рекомендується проводити в
межах не менше ніж 1/3 шкали.
1.2.11. Манометр установлюється та освітлюється (згідно зі
СніП II-4, розряд V, підрозряд ,,г” ; зорової праці) таким чином, щоб
за його показниками зручно було спостерігати обслуговувальному
персоналу. Його слід захистити від променевої теплоти чи
замерзання і встановлювати через триходовий кран або пристрій, що
дозволяє проводити перевірку його показів за допомогою
контрольного.
До з’єднувальної лінії, що йде до манометра, забороняється
підключення пристроїв для відбирання середовища.
Діаметр корпусів манометрів, які встановлюються на висоті до
2 м від рівня майданчика спостереження, має бути не меншим ніж 100
мм, на висоті від 2 до 3 м - не меншим ніж 160 мм і на висоті від
3 до 5 м - не меншим ніж 250 мм. У разі розміщення манометра на
висоті понад 5 м встановлюється дублювальний манометр на зниженій
відмітці.
1.2.12. На шкалі манометра для позначення максимального
допустимого тиску наноситься червона риска або манометр повинен
мати додаткову червону стрілку, рух якої не пов’язано з
пересуванням основної робочої стрілки. Нанесення червоної риски на
склі приладу забороняється.
1.2.13. Забороняється використовувати манометри, у яких:
- відсутні пломба чи тавро повірника;
126
- прострочено термін повірки;
- розбите скло;
- відсутня на шкалі червона позначка максимально допустимого
тиску або додаткова (контрольна) червона стрілка;
- робоча стрілка під час зняття тиску з манометра не
повертається до нульової відмітки шкали на величину, що перевищує
половину мінімально допустимої похибки вимірювання для даного
манометра, або є інші пошкодження, які можуть вплинути на
правильність його показів.
1.2.14. Для гідравлічних випробувань застосовуються
манометри, які пройшли держповірку, з мінімально допустимою
похибкою вимірювання не більше ніж 1,5 %, з діаметром корпусу не
менше ніж 160 мм, номінальним діапазоном вимірювання (шкалою) 4/3
від значення максимального тиску випробування і ціною поділки
шкали не більше ніж 10 кПа (0,1 кгс/кв.см).
1.2.15. Гільзи для термометрів слід врізати:
- на трубопроводах діаметром менше ніж 70 мм - у спеціальні
розширювачі;
- на трубопроводах діаметром від 70 до 200 мм - з нахилом
проти руху середовища або перпендикулярно до осі трубопроводу;
- на трубопроводах діаметром понад 200 мм - перпендикулярно
осі трубопроводу.
Гільза встановлюється таким чином, щоб забезпечувалось
заглиблення термометра до осі трубопроводу.
Гільзи повинні бути чистими і постійно залитими оливою.
Рівень оливи в гільзах повинен забезпечувати повне занурення
вимірювальної частини термометра. На всіх установлених скляних
термометрах мають бути захисні чохли.
1.2.16. Похибки вимірювань приладів обліку теплової енергії,
витрати теплоносія та теплотехнічного контролю мають відповідати
127
встановленому для кожного приладу значенню та не перевищувати
загально допустиму згідно з паспортом похибку на комплект.
1.2.17. Для комерційного обліку відпуску і використання
теплової енергії застосовуються прилади, внесені до Державного
реєстру ЗВТ України та/або мають свідоцтва про Державну
метрологічну атестацію.
1.2.18. Кожна магістраль теплової водяної мережі від ДТ
обладнується такими розрахунковими приладами обліку теплової
енергії:
- теплолічильниками, витратоміри (лічильники) яких
встановлені на подавальному і зворотному трубопроводах, а
термометри - у подавальному трубопроводі і трубопроводі холодного
водопостачання та в зворотному трубопроводі і трубопроводі
холодного водопостачання відповідно;
або
- теплолічильником, витратоміри (лічильники) якого
встановлені на подавальному і зворотному трубопроводах, а
термометри - у подавальному і зворотному трубопроводах, а також у
трубопроводі холодного водопостачання.
Вибір і монтаж устаткування вузла обліку теплової енергії на
ДТ виконується на основі проекту, розробленого відповідно до вимог
чинних НД та узгодженого з теплопостачальною організацією,
Держенергонаглядом та метрологічним центром ЦОВМ.
1.2.18. Кількість теплової енергії, відпущеної ДТ за звітний
період, визначається як сума теплової енергії, що визначена за
показами теплолічильників по кожній магістралі.
За наявності в схемі вивідних колекторів ДТ загальних ділянок
у подавальному і зворотному трубопроводах, якими транспортується
весь потік теплоносія, що відходить від ДТ перед надходженням його
в магістралі і повертається від них, теплолічильники допускається
128
встановлювати на цих ділянках.
Прилади обліку, встановлені на зворотних трубопроводах
магістралей, слід розміщувати до місця приєднання підживлення (по
ходу води у зворотному трубопроводі).
На підживлювальному трубопроводі встановлюється
реєструвальний витратомір або лічильник для вимірювання і
реєстрації кількості підживлювальної води. На трубопроводі
холодного водопостачання також встановлюється реєструвальний
витратомір або лічильник води.
1.2.19. Облік теплової енергії, відпущеної з перегрітою
парою, здійснюється прикладним способом. Облік теплової енергії,
відпущеної з насиченою парою, у разі відсутності засобів
вимірювання її витрати, які б враховували наявність у ній рідкої
фази, здійснюється розрахунковим способом.
Кожна магістраль теплової мережі перегрітої пари від ДТ має
бути обладнана такими розрахунковими приладами обліку теплової
енергії:
- теплолічильником, витратомір (лічильник) і манометр якого
встановлено на паропроводі, а термометри - у паропроводі та
трубопроводі холодного водопостачання, а також теплолічильником,
витратомір (лічильник) якого встановлено на конденсатопроводі, а
термометри - у конденсатопроводі і трубопроводі холодного
водопостачання;
або
- теплолічильником, витратоміри (лічильники) якого
встановлені на паропроводі і конденсатопроводі, манометр - на
паропроводі, а термометри - у паропроводі, конденсатопроводі і
трубопроводі холодного водопостачання.
Кількість теплової енергії, відпущеної ДТ за звітний період,
визначається як сума теплової енергії, що визначена за показами
129
теплолічильників по кожній магістралі.
За наявності в схемі ДТ загальних ділянок паро- і
конденсатопроводу, якими транспортується весь потік пари перед
надходженням її в магістраль і весь потік конденсату, що надходить
з окремих конденсатопроводів, допускається встановлювати
теплолічильники на цих ділянках. Це стосується тих випадків, коли
дроселювання тиску пари на окремих магістралях, що відходять від
загального колектора, не здійснюється або здійснюється за
допомогою РУ.
2. Охорона праці
2.1. Організація експлуатації теплових установок і теплових
мереж здійснюється відповідно до розроблених суб’єктами
господарювання технічних заходів для запобігання виникненню
небезпечних і шкідливих факторів, які можуть впливати на персонал
і населення, або з метою уникнення чи зниження, у разі наявності,
дії шкідливих факторів.
{ Пункт 9.1 розділу 9 в редакції Наказу Міністерства палива та
енергетики N 2 ( z0088-10 ) від 12.01.2010 }
2.2. Засоби захисту, знаряддя та інструмент, які
використовуються під час обслуговування теплових установок і
теплових мереж, підлягають огляду та випробування згідно з
вимогами відповідних НД.
{ Пункт 9.2 розділу 9 із змінами, внесеними згідно з Наказом
Міністерства палива та енергетики N 2 ( z0088-10 ) від
12.01.2010 }
2.3. Під час експлуатації теплових установок і теплових мереж
розробляють та затверджують інструкції з безпечної їх
експлуатації. В інструкціях повинно бути вказано загальні вимоги
безпеки, вимоги безпеки до початку робіт, під час робіт, в
аварійних випадках та після закінчення робіт.
130
2.4. Кожен працівник, який обслуговує теплові установки і
теплові мережі, повинен знати та додержуватися вимог щодо безпеки
та організації праці на робочому місці.
2.5. Персонал, який експлуатує теплові установки і теплові
мережі, повинен проходити навчання з надання першої (долікарської)
допомоги потерпілим у зв’язку з нещасними випадками під час
обслуговування енергетичного устаткування безпосередньо на місці,
де стався нещасний випадок.
2.6. З метою впровадження системи безпечного виконання робіт
на теплових установках і теплових мережах визначаються
функціональні обов’язки осіб з числа оперативного,
оперативно-ремонтного та іншого персоналу, їхні взаємовідносини,
відповідальність згідно із займаною посадою. Керівник організації
є відповідальним за справний стан і експлуатацію
тепловикористовувальних установок і теплових мереж, несе
відповідальність за створення безпечних умов праці та
організаційно-технічну роботу із запобігання нещасним випадкам.
Керівник суб’єкта господарювання, керівники структурних
підрозділів та керівники підпорядкованих організацій забезпечують
безпечні та здорові умови праці на робочих місцях, у виробничих
приміщеннях та на території тепловикористовувальних установок і
теплових мереж, контролюють їх відповідність чинним вимогам з
охорони праці, виробничої санітарії, здійснюють нагляд за їх
дотриманням. А також своєчасно організовують навчання, інструктажі
персоналу та перевірку знань з охорони праці та безпечного
виконання робіт.
2.7. Кожний нещасний випадок, а також будь-які порушення
вимог безпеки праці, які могли б призвести до нещасних випадків
або аварій, слід ретельно розслідувати, виявляти причини і
винуватців їх виникнення та вживати заходів щодо запобігання
131
повторенню подібних випадків. Повідомлення про нещасні випадки,
професійні захворювання і аварії, їхнє розслідування і облік
здійснюється згідно з НПАОП 00.0-6.02 "Порядок розслідування та
ведення обліку нещасних випадків, професійних захворювань і аварій
на виробництві;.
2.8. Організація експлуатації тепловикористовувальних
установок і теплових мереж, систем теплоспоживання, їх ремонт,
налагодження та випробування повинні забезпечити безпеку праці
відповідно до вимог чинних нормативних документів з охорони праці.
{ Пункт 9.8 розділу 9 із змінами, внесеними згідно з Наказом
Міністерства палива та енергетики N 2 ( z0088-10 ) від
12.01.2010 }
3. Пожежна безпека
3.1. Власники (керівники) суб’єктів господарювання
відповідають за пожежну безпеку приміщень та обладнання теплових
установок і теплових мереж, а також за наявність і справний стан
первинних засобів пожежогасіння.
3.2. Облаштування та експлуатація тепловикористовувальних
установок і теплових мереж має відповідати вимогам НАПБ А.01.001.
Усі споруди та устаткування обладнуються мережею протипожежного
водопостачання, засобами виявлення та гасіння пожежі відповідно до
вимог НД.
3.3. Персонал має виконувати вимоги інструкцій з пожежної
та техногенної безпеки та встановлений на суб’єкті господарювання
протипожежний режим експлуатації теплових установок і теплових
мереж, не допускати особисто та зупиняти дії інших осіб, які
можуть призвести до займання та пожежі.
3.4. Персонал, який обслуговує теплові установки і теплові
мережі, проходить з урахуванням вимог НАПБ Б.02.005 протипожежний
інструктаж, заняття з пожежно-технічного мінімуму, бере участь у
132
протипожежних тренуваннях.
3.5. Враховуючи особливості експлуатації теплових установок
і теплових мереж, на суб’єкті господарювання встановлюється
протипожежний режим та впроваджуються протипожежні заходи, які
забезпечують безпечну експлуатацію, а також опрацьовується
оперативний план пожежогасіння, складаються об’єктова інструкція
та інструкції про заходи пожежної та техногенної безпеки для всіх
вибухопожежонебезпечних та пожежонебезпечних приміщень (дільниць,
цехів, складів, майстерень, лабораторій тощо). { Абзац перший
пункту 10.5 розділу 3 із змінами, внесеними згідно з Наказом
Міністерства палива та енергетики N 2 ( z0088-10 ) від
12.01.2010 }
Для робіт у котельнях та в інших приміщеннях з підвищеною
пожежною небезпекою забороняється допускати осіб, які не пройшли
спеціального навчання, протипожежного інструктажу та не отримали
відповідних посвідчень. { Абзац другий пункту 3.5 розділу 3 в
редакції Наказу Міністерства палива та енергетики N 2 ( z0088-10 )
від 12.01.2010 }
3.6. Зварювальні та інші вогненебезпечні роботи, у тому
числі ремонтні, монтажні та інші, які здійснюються підрядними
організаціями, виконуються згідно з вимогами правил пожежної
та техногенної безпеки та з урахуванням особливостей пожежної та
техногенної безпеки теплових установок і теплових мереж.
3.7. Наказом по суб’єкту господарювання призначаються особи,
відповідальні за пожежну безпеку окремих територій, будівель,
споруд, приміщень, ділянок тощо. Розробляється та затверджується
інструкція щодо заходів з пожежної та техногенної безпеки та план
(схема) евакуації людей у разі виникнення пожежі на теплових
установках і теплових мережах та схема сповіщення людей про
виникнення пожежі; створюється пожежотехнічна комісія та пожежні
133
формування на добровільних засадах.
3.8. Кожний випадок пожежі або займання на теплових
установках і теплових мережах розслідується комісією, яка
створюється керівником суб’єкта господарювання. Результати
розслідування оформлюються актом. Під час розслідування
встановлюються причина та винуватці виникнення пожежі (займання).
За результатами розслідування розробляються і впроваджуються
протипожежні заходи.
3.9. При проектуванні та експлуатації теплових установок і
мереж повинна бути введена система протипожежного захисту, що
сприяє збереженню функцій, необхідних для забезпечення безпечної
експлуатації теплових установок і мереж, для попередження пожеж
шляхом:
доведення кількості горючих речовин і матеріалів до мінімуму,
необхідного за умовами виробництва;
запобігання можливості утворення парогазоповітряних
вибухопожежонебезпечних сумішей;
здійснення організаційних і технічних заходів для запобігання
виникненню джерел запалювання;
застосування електротехнічного устаткування, виконаного
відповідно до класу вибухонебезпечної чи пожежонебезпечної зони
згідно з ПУЕ, НПАОП 40.1-1.32-01;
застосування матеріалів для будівельних конструкцій і
оздоблювальних матеріалів, що відповідають категорії приміщення з
вибухопожежної та пожежної небезпеки і ДБН В. 1.1-7-2002. ;Пожежна
безпека об’єктів будівництва;.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.10. Проектні рішення з протипожежного захисту теплових
134
установок і мереж розробляються з урахуванням результатів аналізу
пожежної небезпеки будівель, приміщень, споруд і устаткування, що
виконується в обсязі вимог чинних НД та рекомендацій для діючих і
споруджуваних теплових установок і мереж.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.11. Розрахунок сил і засобів для гасіння пожеж будівель,
приміщень, споруд та устаткування теплових установок і мереж
здійснюється відповідно до вимог чинного законодавства.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.12. При надземному прокладанні теплових мереж застосування
горючих теплоізоляційних матеріалів не допускається.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.13. Трубопроводи теплових мереж у місцях перетину
перекриттів, внутрішніх стін і перегородок необхідно прокладати в
гільзах з негорючих матеріалів.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.14. У місцях перетину трубопроводів з теплоносієм
металевих захисних конструкцій з горючими полімерними утеплювачами
в радіусі 0,1 м має передбачатися теплова ізоляція з негорючих
матеріалів.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
135
27.03.2015 }
3.15. Гарячі поверхні мереж, що розміщуються в приміщеннях,
у яких вони можуть створити небезпеку запалювання газів, пари,
аерозолів або пилу, слід ізолювати так, щоб температура на
поверхні теплоізольованої конструкції була не менше ніж на
20 відсотків нижче температури самозаймання речовин.
{ Розділ 10 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.16. Теплоізоляція має виконуватися з матеріалів, що
виключають виділення вибухопожежонебезпечних речовин у кількості,
що перевищує гранично допустимі концентрації, і відповідати вимогам
будівельних норм.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.17. Не допускаються:
прокладання трубопроводів теплових мереж у каналах і тунелях
спільно з газопроводами зрідженого газу, киснепроводами,
трубопроводами з легкозаймистими речовинами;
застосування теплоізоляції з матеріалів груп горючості
Г1 - Г4 для захисту теплових мереж, що розташовуються в
приміщеннях категорій А, Б, В, у технічних підвальних поверхах і
об’ємах під підлогами з виходами через загальні сходові клітки;
експлуатація теплових мереж з пошкодженою і просоченою
нафтопродуктами теплоізоляцією.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.18. Поверхні, що мають температуру більше 45 град. С й
136
розташовані на відстані до 5 м від мастилопроводів і
мастилонаповненого устаткування, повинні мати теплоізоляцію з
негорючих матеріалів. Теплоізоляцію слід облицьовувати металевими
й іншими негорючими водо-, мастилонепроникними матеріалами.
Мастилопроводи слід розташовувати нижче трубопроводів, що
транспортують технологічні середовища з температурою
вище 150 град.С.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.19. Кабелі та проводи, розташовані на відстані до 10 м від
теплових мереж, що мають температуру більше 45 град.С,
мастилопроводів і мастилонаповненого устаткування, необхідно
обробляти вогнезахиним матеріалом, що забезпечує нормоване
значення межі вогнестійкості не нижче ЕІ 45.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
3.20. Посадові особи, що обслуговують устаткування теплових
установок і мереж, які не пройшли навчання з питань пожежної та
техногенної безпеки, не можуть бути допущені до виконання
функціональних обов’язків. У разі виявлення посадовими особами
цивільного захисту органів державного нагляду (контролю) у сфері
пожежної та техногенної безпеки незадовільного рівня знань вимог
норм і правил у зазначеній сфері забороняється допуск зазначених
посадових осіб до виконання функціональних обов’язків без
позитивних результатів перевірки знань з питань пожежної і
техногенної безпеки за участю представників органів державного
нагляду (контролю) у сфері пожежної та техногенної безпеки.
{ Розділ 3 доповнено новим пунктом згідно з Наказом Міністерства
137
енергетики та вугільної промисловості N 183 ( z0407-15 ) від
27.03.2015 }
138
Перелік літератури
1. Yu S. C. et al. A brief review study of various thermodynamic cycles for high
temperature power generation systems // Energy Conversion and Management.
– 2015. – Vol. 94. – P. 68–83.
2. Bianchi M., De Pascale A. Bottoming cycles for electric energy generation:
Parametric investigation of solutions for the exploitation of low and medium
temperature heat sources // Applied Energy. – 2011. – Vol. 88. – P. 1500–
1509.
3. Quoilin S., Lemort V., Lebrun J. Experimental study and modeling of an
Organic Rankine Cycle using scroll expander // Applied Energy. – 2010. –
Vol. 87. – P. 1260–1268.
4. Galloni E. et al. Design and experimental analysis of a mini ORC power plant
based on R245fa working fluid // Energy. – 2015. – Vol. 90. – P. 768–775.
5. Aneke M. et al. Power generation from waste heat in a food processing
application // Applied Thermal Engineering. – 2012. – Vol. 36. – P. 171–180.
6. Waste Heat Recovery: Technology and opportunities in U.S. industry. – U.S.
Department of Energy, 2008.
7. Tchanche B. F. et al. Low-grade heat conversion into power using organic
Rankine cycles – A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. –
2011. – Vol. 15. – P. 3963–3979.
8. Imran M. et al. Multi-objective optimization of evaporator of organic Rankine
cycle (ORC) for low temperature geothermal heat source // Applied Thermal
Engineering. – 2015. – Vol. 80. – P. 1–9.
9. Chen H., Goswami D. Y., Stefanakos E. K. A review of thermodynamic cycles
and working fluids for the conversion of low-grade heat // Renewable and
Sustainable Energy Reviews. – 2010. – Vol. 14. – P. 3059–3067.
10. Li X. G., Zhang Q. L., Li X. J. A Kalina cycle with ejector // Energy. – 2013. –
Vol. 54. – P. 212–219.
139
11. Modi A., Haglind F. Performance analysis of a Kalina cycle for a central
receiver solar thermal power plant with direct steam generation // Applied
Thermal Engineering. – 2014. – Vol. 65. – P. 201–208.
12. Moran M. J. et al. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. – 7th ed. –
New York: John Wiley & Sons, 2011.
13. Thombare D. G., Verma S. K. Technological development in the Stirling cycle
engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2008. – Vol. 12. – P.
1–38.
14. Saidur R. et al. Technologies to recover exhaust heat from internal combustion
engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2012. – Vol. 16. – P.
5649–5659.
15. Riffat S. B., Ma X. Thermoelectrics: a review of present and potential
applications // Applied Thermal Engineering. – 2003. – Vol. 23. – P. 913–935.
16. Invernizzi C., Iora P., Silva P. Bottoming micro-Rankine cycles for micro-gas
turbines // Applied Thermal Engineering. – 2007. – Vol. 27. – P. 100–110.
17. Дорожовець М. М. Опрацювання результатів вимірювань: Навч.
посібник. – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2016. – 224 с.
(Заміна застарілого джерела Зайделя).
18. SmoWeb: Cloud-based simulation platform for ORC processes [Electronic
resource]. – URL: http://platform.sysmoltd.com.
19. CoolProp: Open-source thermodynamic property library [Electronic resource].
– URL: http://www.coolprop.org.
20. Інфініті Турбайн Україна: Органічний цикл Ренкіна (ORC) [Електронний
ресурс]. – Режим доступу: http://cccenergo.com.