ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В XX веке стремительно выросло энергопотребление планеты, и очень остро встали вопросы о ресурсо и энергосбережении, а также о более полном использовании энергетического потенциала топлива.

Особенно актуальны вышеописанные вопросы в технологиях, связанных с газоиспользующим оборудованием. Существует огромное число способов комплексного использования теплоты продуктов сгорания газа, которые позволяют увеличить КПД агрегатов до 75-80%.

Во второй половине ХХ века и по сегодняшний день развитие технологий и новых материалов позволило не только осуществить процесс ожижения природного газа, транспортировку к потребителю, газификацию и эффективное использование, но и сделать эту технологическую линию рентабельной и конкурентоспособной по сравнению с газоснабжением с помощью магистральных газопроводов. Технологии газоснабжения с помощью сжиженного природного газа  (здесь и далее СПГ) очень перспективные и имеют большое число преимуществ, но они открывают обширное поле для размышления на предмет не только эффективного использования тепла, но и холода, который в большом количестве получается при газификации СПГ.

В данной статье рассматривается интерпретация установки, описанной в патенте № 2166705 под названием «Высокоэффективная энергохолодильная установка» (см. рисунок 1).

Энергохолодильная установка состоит из емкости со сжиженным газом 1, линии подачи топлива 2, включающей в себя регулирующий клапан 3, газификатор 4, дроссельный вентиль 5, холодильную камеру 6, вихревую трубу 7, магистраль холодного потока 8, магистраль теплого потока 9 с нагревателем 10, расширительной турбиной 11, расположенной на одном валу с потребителем мощности 12, и расширительной емкостью 13, двигателя Стирлинга 14, магистрали отработанных газов 15, проходящих через нагреватель 10. Двигатель Стирлинга 14 включает в себя холодильник 16, камеру сгорания 17 и систему охлаждения 18, состоящую из охладителя 19, связанного с окружающей средой, и насоса 20.

Высокоэффективная энергохолодильная установка работает следующим образом.
Жидкость системы охлаждения 18 двигателя 14 подводится к газификатору 4 линии подачи топлива 2, в который через регулирующий клапан 3 поступает сжиженный газ из теплоизолированной емкости 1. Передавая скрытую теплоту парообразования охлаждающей жидкости системы охлаждения 18 в газификаторе 4, сжиженный газ испаряется, расширяется, дросселируется в вентиле 5 и поступает в холодильную камеру 6, где охлаждает внутреннюю среду камеры 6 до нужной температуры, при этом сам нагревается с повышением давления. Из холодильной камеры 6 газ поступает в вихревую трубку 7, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток по магистрали 8 вновь поступает в камеру 6. Теплый поток по магистрали 9 проходит через нагреватель 10, где нагревается до высокой температуры с повышением давления за счет теплообмена с отработанными газами двигателя Стирлинга 14. После нагревателя 10 газ поступает в турбину 11, где, расширяясь, совершает дополнительную полезную работу, передаваемую потребителю мощности 12, а затем через расширительную емкость 13 поступает в камеру сгорания 17 двигателя 14. Отработанные газы по магистрали 15 проходят через нагреватель 10 и удаляются в окружающую среду. С целью охлаждения двигателя Стирлинга 14 предусмотрена система охлаждения 18. По этой системе нагретая от рабочего тела двигателя 14 охлаждающая жидкость из холодильника 16 с помощью насоса 20 подается сначала в охладитель 19, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в газификатор 4, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с сжиженным газом и поступает вновь в холодильник 16. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом двигателя 14 происходит снижение нижней температуры цикла двигателя Стирлинга 14, что приводит к увеличению КПД.

В данной статье предложен измененный вариант вышеописанной схемы (рисунок 2) с учетом того, что природный газ в большей степени является сырьем для получения тепловой энергии. Тогда как в исходной схеме предполагается получение в первую очередь механической энергии.

Основным изменением является замена двигателя Стирлинга на паровую или водогрейную котельную установку (также возможна замена на печь), которая производит пар и горячую воду для нужд производства.

1 - Резервуар СПГ; 2 - Линия подачи топлива; 3 - Регулирующий клапан; 4 - Газификатор; 5 - Дроссельный вентиль; 6 - Холодильная камера; 7 - Вихревая труба; 8 - Магистраль холодного потока; 9 - Магистраль теплового потока; 10 - Нагреватель;

11 - Расширительная турбина; 12 - Потребитель мощности; 13 - Холодная вода; 14 - Горячая вода; 15 - Пар; 16 - Холодильник; 17 - Компрессор; 18 - Дымовой тракт; 19 - Вода на ГВС; 20 - СПГ в резервуар.

Стоит отметить, что наравне с котельной установкой возможно использование печи или даже их совместное использование.

Данная схема позволяет значительно расширить область применения природного газа на производстве. Здесь он используется не только в качестве топлива, но также в качестве хладагента. Кроме этого вышеописанная схема позволяет увеличить эффективное использование как тепла, полученного при сжигании природного газа, так и холода, полученного при газификации СПГ.

Для оценки эффективности описанной схемы и создания расчета для подбора оборудования при будущем проектировании подобных схем предлагается математическая модель термодинамических процессов установки, основанная на уравнении состояния Пенга-Робинсона.

Получившее наибольшее распространение в мировой практике уравнение Пенга-Робинсона имеет вид:

где Р - давление (МПа), Т - температура (К), V - молярный объем (м3/кмоль), R=0,0083144 МПа∙м3/кмоль∙К.

Коэффициенты уравнения (1) для чистых веществ определялись из того условия, что на зависимости Р=Р(V) на критической изотерме критическая точка является точкой перегиба

Из условий (2) следует, что

Температурная поправка φ(Т) служит для улучшения описания поведения чистых веществ и имеет следующий вид

где ω - ацентрический фактор вещества.

Это уравнение самое подходящее для расчета смеси углеводородов и может использоваться в широком спектре параметров веществ (t> -2710C, P<100 МПа)

Для создания термодинамической модели процессов предполагаемых в схеме будет использоваться следующий состав природного газа, описанный в таблице 1.

Таблица1 Состав газа

Компонент

Содержание,%

Метан (СН4)

94,0

Этан (С2Н6)

0,025

Углеводороды (С36)

0,003

Азот (N2)

0,026

Указанной газовой смеси соответствует следующая фазовая диаграмма (рисун), данные которой следует учитывать при расчете схемы.

Расчет по уравнению состояния Пенга Робинсона осуществлен в программе AspenTech HYSYS от фирмы Hyprotech. Расчетная схема представлена на рисунке 3.

Исходя из расчета и полученных данных (таблица 2) рекомендуется использовать криогенные резервуары для хранения СПГ, ввиду большего давления при котором хранится топливо, нежели в изотермических резервуарах. Например, резервуары ОАО «Криогенмаш» РЦГ (50-250)/0,5-1 с экранно-вакуумной изоляцией и рабочим давлением 0,5 МПа РЦВ 10/1,6, РЦВ-25/1,6-2, РЦВ-63/0,5 с экранно-вакуумной изоляцией и рабочим давлением 1,6 Мпа.

После холодильной камеры 2 рекомендуется установить компрессор и увеличить давление потока 12 до значения давления потока 10, иначе смешение в смесителе будет проходить при наименьшем давлении, что снизит эффективность дальнейшего потока.

На потоке 15 можно поставить, как турбодетандер, так и расширительную турбину, для производства электроэнергии.

В приложении HYSYS имеется большое количество динамических операций подбора параметров и оптимизации схемы (Balance Adjust ), которые позволяют варьировать не только технологические, но и экономически параметры, определить наилучшую конфигурацию схемы.

На основе проведенного исследования  энергохолодильной установки предлагается модифицировать схему, описанную в патенте № 2166705 и заменить двигатель Стирлинга котельнй установкой (также возможна замена на печь), что позволит эффективно использовать её на предприятиях, где необходимы, как теплогенераторы, так и промышленные холодильники (мясокомбинат), где СПГ будет являться источником холода, электричества и тепла. Такая схема позволит полностью использовать физико-химические свойства топлива.

Также в представленной статье описана математическая модель термодинамических процессов, основанная на модифицированном фирмой Hyprotech уравнении состояния Пенга-Робинсона, которая создавалась с целью энергетической оценки схемы энергохолодильной установки. Основные параметры потоков и результаты расчетов при конкретных начальных условиях представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 Параметры потоков расчетной схемы

Поток

Доля пара

Температура, 0С

Давление, бар

Расход, кг/ч

Тепловой поток, ккал/ч 106

1

0,000

-165,0

8,00

300,0

-3,745

2

1,000

-162,1

8,00

0,0

0,000

3

0,000

-162,1

8,00

300,0

-3,738

4

0,000

-162,1

7,95

300,0

-3,738

5

0,000

90,0

1,10

1193,0

44,5

6

0,000

60,0

1,00

1193,0

44,87

7

0,937

-119,9

7,85

300,0

- 3,366

8

0,937

-120,0

7,84

300,0

- 3,366

9

1,000

-26,4

7,64

300,0

- 3,194

10

1,000

51,6

3,82

150,0

1,535

11

0,998

-100,0

1,53

150,0

-1,648

12

1,000

14,9

0,83

150,0

1,562

13

1,000

161,9

3,82

150,0

1,44

14

1,000

108,6

3,82

300,0

2,97

15

1,000

200,0

29,35

300,0

2,82

16

1,000

20,0

0,99

300,0

3,1

17

       

0,15

18

       

0,0069

19

       

0,086

20

       

0,3

21

       

0,1

22

       

0,17

В исследовании, которое описывает данная статья, продолжается поиск и разработка оптимальной конфигурации схемы с технологической, энергетической и экономической точек зрения. А результаты, полученные к настоящему моменту, показывают, что при наличии возможности бесперебойной и дешевой поставки СПГ на промышленные предприятия, где технология производства подразумевает использование большого количества тепла и холода, возможно использование описанной схемы с увеличением эффективности производство до 4 раз. Кроме этого в разрабатываемой технологии в качестве хладагент применяется природный газ, который абсолютно не токсичен и не наносит вред окружающей среде в отличии от хладагентов, которые используют в холодильных машинах в настоящее время.

 

Использованная литература:

  • 1. Бармин И.В., Кунис И.Д., Сжиженный природный газ, вчера, сегодня, завтра. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 256 с.: ил.
  • 2. Акулов Л.А., Установки и системы низкотемпературной техники. Ожижение природного газа и утилизация холода при его регазификации. СПб.: Изд-о С.-Петербург. ун-та низкотемпературных и пищевых технологий.
  • 3. Брусиловский А.И., Фазовые превращения при разработке нефти и газа. Москва: Издательский дом "Грааль", 2002 год. 575 стр.
  • 4. Кириллов Н.Г. Высокоэффективная энергохолодильная  установка., патент № 2166705
Просмотров работы: 44