close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Денисов-Винский Н.Д. Анализ источников низкопотенциального тепла и возможность его утилизации. Тепло ДВС и ГТУ

код для вставкиСкачать
Приводится выдержка материала по источникам низкопотенциального тепла, выполненная в рамках научно-исследовательской работы на siemens. В данном разделе разбирается Тепло двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ). Приводя
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
4
. ТЕПЛО ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ГТУ
4
.1. О
БЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Самый распространенный тип современного теплового двигателя –
двигатель внутренне
го сгорания (ДВС). Тепловое расширение применяется в ДВС. Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую
-
либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого
-
либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутренн
его сгорания.
В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили ДВС, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. Но в большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания, которые можно классифицировать по различным признакам:
-
по способу смесеобразования -
двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюра
торные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) -
дизели; -
по способу осуществления рабочего цикла -
четырехтактные и двухтактные; -
по числу цилиндров -
одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоц
илиндровые; -
по расположению цилиндров -
двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд, V
-
образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими
цилиндрами, или оппозитным); -
по способу охлаждения -
на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением; -
по виду применяемого топлива -
бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные ;
-
по степени сжатия -
в зависимости от степени сжатия различаю
т двигатели высокого (
18
12
) и низкого (
18
12
) сжатия; -
по способу наполнения цилиндра свежим зарядом: а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре пр
и всасывающем ходе поршня; б) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя; -
по частоте вращения:
тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
-
по назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
4
.2
. П
ОТЕРИ ТЕПЛОТЫ, ОТВОДИМОЙ В СИ
СТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ И УНОСИМОЙ С
ГАЗАМИ
Большее количество те
пловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать пригоранию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня,
растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации и т. п.
Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает
, а температура достигает 2300 –
2500 °С. При сгорании в цилиндре интенсивно протекают процессы перемещения
газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется
из
-
за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.
В течение хода расширения стенкам цилиндра передается около 7 % тепловой энергии топлива. При расширении поршень перемещается из ВМТ в НМТ и постепенно освобождает все большую поверхность стенок цили
ндра. Однако лишь около 20 % теплоты, сэкономленной даже при продолжительном по времени ходе расширения, можно преобразовать в полезную работу.
Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из
цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возник
ают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.
Отработавшие газы необходимо отводить из головки цилиндра кратчайшим путем, так как переданная ей их теплота заметно нагружает систему охлаждения и для ее отвода в окружающий воздух тре
буется использование части эффективной мощности двигателя. В период выпуска газов в систему охлаждения отводится около 15 % теплоты, содержащейся в топливе. Тепловой баланс бензинов
ого двигателя приведен на рисунке №
4.
1
.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
32%
28%
2%
38%
Рис.
4.
1. Тепловой баланс бензи
нового двигателя,
где
• 32% -
теплота, преобразованная в полезную работу;
• 28% -
теплота, отведённая в систему охлаждения;
• 2% -
теплота, возникшая при трении поршня;
• 38% -
теплота, отведённая с отработавшими газами.
У дизельного двигателя условия отвода теплоты другие. Вследствие более высокой степени сжатия температура газов на выходе из цилиндра гораздо ниже. По этой причине количество теплоты, отведенное во время хода выпуска, меньше и составляет в ряде случаев около 25 % всей теплоты, отданной в систему охлаждения. Давление и температура газов при сгорании в дизеле выше, чем у бензинового двигателя. Совместно с большими скоростями вращения газов в цилиндре эти факторы способствуют увеличению количества теплоты, передаваемой ст
енкам камеры сгорания. В процессе сгорания эта величина составляет около 9 %, а при ходе расширения -
6 %. За время хода выпуска в систему охлаждения отводится 9 % энергии, содержащейся в топливе.
Тепловой баланс дизельного двигателя приведён на рисунке 2.
Теплота, возникающая при трении поршня о стенки цилиндра у бензинового двигателя, составляет около 1,5 %, а у дизеля -
около 2 % от ее общего количества. Эта теплота также отводится в систему охлаждения. Следует учесть, что приведенные примеры представля
ют результаты измерений, выполненных на исследовательских одноцилиндровых двигателях, и могут характеризовать двигатели, работающие в автомобильной технике, для привода различных агрегатов, в том числе и для привода электрогенераторов в мини
-
ТЭЦ, лишь приб
лизительно. Однако эти данные могут быть вполне использованы для оценочного расчета тепловых потерь. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
45%
23%
2%
30%
Рис.
4.
2. Тепловой баланс дизельного двигателя,
где
• 45% -
теплота, преобразованная в полезную работу;
• 23% -
теплота, отведённая в систем
у охлаждения;
• 2% -
теплота, возникшая при трении поршня;
• 30% -
теплота, отведённая с отработавшими газами.
Системой охлаждения отводится от 23 до 32% теплоты, которая подводится с топливом в двигатель. Сюда входит как непосредственно теплот
а, возникшая при горении топлива, так и теплота, возникшая при трении поршня о цилиндр двигателя, что требует обеспечения хорошего смазывания этой трущейся пары. Температура масла при этом не должна превышать допустимых границ, что ограничивает в свою очер
едь температуру стенки цилиндра. Для современных моторных масел температура стенки цилиндра не должна быть выше 220 °С, в то время как температура газов в цилиндре при сгорании и ходе расширения на порядок выше, и цилиндр по этой причине необходимо охлажда
ть.
Другая проблема связана с поддержанием нормальной температуры выпускного клапана. Прочность стали при высокой температуре падает. При использовании специальных сталей в качестве материала выпускного клапана его максимально допустимая температура может быть доведена до 900 °С.
Для того, чтобы охлаждающая жидкость смогла отвести все необходимое тепло от двигателя, её температура, как на входе, так и на выходе должна находится в строго определённых температурных границах. По различным сведениям на сегодняш
ний момент температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя должна быть не выше 90 … 110 °С для различных моделей. Превышение этой температуры может привести к аварийному останову двигателя. В свою очередь температура охлаждающей жидкости на выходе зависит от её температуре на входе, что характеризует работу системы охлаждения охлаждающей жидкости. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Наравне с системой охлаждения большое количество теплоты, подведённой с топливом в двигатель, уносится выхлопными газами. На сегодняшний день большей час
ти эту теплоту используют для отопления, а также для работы турбонаддува. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из
-
за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса тепло
ты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.
Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод мож
ет автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.
Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая
, как говорилось выше,
наиболее часто используется для привода центробежного компрессора
наддува двигателя Ее можно использовать также и для других целе
й, например, для упомянутого привода вентилятора. Однако использование энергии выхлопных газов для срабатывании их в турбине ведёт к тому, что их температура уменьшается. Степень наддува зави
сит от назначения двигателя. При более высоких давлениях наддува воздух в компрессоре сильно нагревается и на входе в двигатель и его необходимо охлаждать, что также требует теплообменного оборудования.
В настоящее время турбонаддув применяют в основном в дизелях, п
овышение мощности которых на 25 –
30 % не требует большого форсирования по давлению наддува, и охлаждение двигателя при этом не вызывает трудностей. Такой способ повышения мощности дизеля применяют чаще всего.
4
.3
. А
НАЛИЗ
ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ И
ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ
, ОТВОДИМОЙ В ГАЗОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Как было показано выше доля теплоты рубашки охлаждения двигателя, а также теплота, отходящая с выхлопными газами может составлять более 50% от подводимой с топливом теплоты в дви
гатель. В данном обзоре для газопоршневых двигателей внутреннего сгорания автор ставит перед собой задачу оценить зависимость мощности теплоты уходящей с выхлопными газами, а также мощности теплоты, которая отводится охлаждающей жидкости в рубашке охлажден
ия в зависимости от электрической мощности генератора. Последнее обусловлено тем, что в открытом доступе удалось найти подробную информацию по газопоршневым электростанциям. Однако, зная электрический КПД электрогенератора, а также КПД соединительных устро
йств, читатель без Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
проблем сможет сопоставить предложенные зависимости для выходной мощности газопоршневого двигателя. База данных, на базе которой проводится анализ, была взята с сайтов известных производителей газопоршневых электростанций. К ним относят
ся такие мировые лидеры как CATERPILLAR
, DEUTZ
, GE
JENBACHER
, MAN
и прочие. Предполагается, что все двигатели используют топливо с низшей теплотой сгорания 88
,
35
НТС
Q
3
м
МДж
. Диапазон электрической мощности для исследуемых дви
гателей был выбран в пределе от 70 до 3895 кВт электрической мощности, с турбонаддувом и интеркулером, что дало возможность оценить все отводимые тепловые мощности.
На рисунке 4.
3 (левая шкала) показана зависимость тепловой мощности, которая может получит
ься при охлаждении выхлопных газов от их температуры после двигателя (включая его работу
, которую он совершает
в турбине турбонаддува) до температуры 120°С от электрической мощности. Красная линия показывает линию тренда для этой зависимости. В большинстве
случаев температурный уровень в 120°С выбирается потому, что он гарантирует отсутствие конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах двигателя. Там же на рисунке 3 (правая шкала) показана доля теплоты от подведённой теплоты топлива, кото
рая уносится с выхлопными газами. y = 0,0014x + 19,142
R
2
= 0,2648
y = 0,59940x + 3,37197
R
2
= 0,99846
0
500
1000
1500
2000
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
5
10
15
20
25
30
Доля тепла [%]
Рис. 4.
3. Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (120
°С
), а также её доля в общем балансе тепла от электрической мощности.
Очевидный разброс данных по правой шкале (доля теплоты) и очевидная зависимость с м
алой погрешностью между отводимой теплотой с выхлопными газами в зависимости от мощности двигателя по левой шкале говорит о том, что двигатели могут иметь различные режимы работы и что Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
их эффективность в зависимости от электрической мощности может сильно р
азличаться. Однако автор не исключает вероятность того, что данные, опубликованные на официальных русскоязычных сайтах компаний, могут быть неверно перенесены с оригинала. Также возможна погрешность измерений расхода топлива, от которой зависит теплота, по
дведённая двигателя с топливом. На рисунке 4 представлены аналогичные зависимости, но для случая, когда теплота выхлопных газов утилизируется полностью, т.е. температура выхлопных газов после теплообменника равна температуре окружающей среды –
20°С. Однак
о в этом случае не учитывается теплота, которая может получиться при конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах. y = 0,0012x + 27,779
R
2
= 0,1499
y = 0,8046x + 17,637
R
2
= 0,9986
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Доля тепла [%]
Рис. 4.
4. Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (20
°С
), а также её доля
в общем балансе тепла от электрическо
й мощности.
Анализируя данные, которые приведены в каталогах производителей электростанций на базе газопоршневых двигателей можно сделать вывод о том, что количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 20°С в среднем на 1,3 … 1,4 раза больше, чем то количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 120°С.
Здесь следует отметить, что в общем случае при работе газопоршневых электростанций в режиме когенерации, т.е. с испо
льзованием тепла выхлопных газов на нужны теплофикации –
выработка горячей воды и отопления, выполняют охлаждение выхлопных газов до температуры 110 … 120°С. Часто это обусловлено тем, что вода, которая используется на нужны отопления, имеет температурный уровень прямой и обратной воды на уровне 70/90°С. Поэтому, использование температур ниже 110°С может привести к тому, что не выхлопные газы будут греть воду, а наоборот. Ещё одной причиной является выпадение конденсата, которые в большинстве случаев состои
т не Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
только из воды, а включается в себя также различные кислоты (в зависимости от содержания продуктов сгорания), которые разрушают теплообменные поверхности, что может привести к аварии. На рисунке 4.
5 представлена зависимость температуры выхлопных газо
в после турбины турбонаддува от электрической мощности.
0
100
200
300
400
500
600
1
10
100
1000
10000
Электрическая мощность [кВт]
Температура выхлопных газов [С]
Рис. 4.
5. Зависимость температуры выхлопных газов после
турбины турбонаддува от электрической мощности.
Минимальная значение температуры выхлопных газов, приведённой на графике равно 356°С при э
лектрической мощности 360 кВт, а максимальная температура равна 561°С при электрической мощности 70 кВт. Однако в данном случае эти температуры не являются показателями, так их значение зависит от многих параметров. Возвращаясь к тепловой энергии, отводим
ой от двигателя, необходимо помнить, что до 30% (по различным данным) подведённой тепловой энергии с топливом отводится от рубашки охлаждения двигателя. Как уже было описано выше, температура охлаждающей жидкости при выходе из рубашки двигателя не должна п
ревышать 90 … 110°С, что обусловлено оптимальным его охлаждением. На рисунке 4.
6 показана зависимость суммарной теплоты отводимой от рубашки двигателя и теплоты выхлопных газов, при их охлаждении до 120°С.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
y = -0,0051x + 49,414
R
2
= 0,5757
y = 0,77892x + 257,97897
R
2
= 0,93249
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
10
20
30
40
50
60
70
Доля тепла [%]
Рис. 4.
6. Зависимость суммарной теплоты отводи
мой от рубашки охлаждения двигателя и выхлопных газов, при их охлаждении до 120°С.
Из рисунка 6 видно, что при утилизации как теплоты охлаждения рубашки двигателя, так и при утилизации теплоты выхлопных газов, можно получить до 60% от всей тепловой мощно
сти, подводимой с топливом. При КПД двигателя на уровне 30 … 35%, общий КПД использования топлива в 95% является отличным показателем. Однако не всю теплоту можно утилизировать. Так теплоту, которая теряется при конвективном теплообмене с охлаждающей сред
ой с поверхности двигателя утилизировать достаточно сложно. y = -0,0003x + 4,0528
R
2
= 0,4199
y = 0,07794x + 10,62397
R
2
= 0,97682
0
50
100
150
200
250
300
350
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Доля теплоты [%]
Рис.
4.
7. Потеря теплоты с поверхности двигателя.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
На рисунке 4.
7 представлена зависимость тепловой мощности, которая теряется в окружающую среду с поверхности двигателя от электрической мо
щности электродвигателя по левой шкале, а также её доля от подводимой тепловой мощности с топливом. Возрастание тепловой мощности, теряемой с поверхности двигателя, обусловлено тем, что с возрастанием мощности двигателя увеличиваются его размеры и, следова
тельно, его поверхность, что способствует увеличению теплообмена с окружающей средой. Выше было сказано, что при увеличении мощности двигателя появляется необходимость охлаждать воздух, который поступает после компрессора турбонаддува. Воздух охлаждается в интеркулере –
теплообменнике, который установлен после компрессора и перед камерой сгорания двигателя. Так на рисунке 4.
8 показан график зависимости тепловой мощности, отводимой от сжатого воздуха интеркулером от электрической мощности. y = 0,22602x - 42,71881
R
2
= 0,93613
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность интеркулера [кВт]
Рис.
4.
8. Г
рафик зависимости тепловой мощности, отводимой от сжатого воздуха интеркулером от электрической мощности
Приведённые выше зависимости могут послужить отправной точкой для анализа как мощности отводимого тепла, так и температурного уровня выхлопных газов
для двигателей внутреннего сгорания, работающего на природном газе или схожих с ним по свойствам газов. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
4
.4
. А
НАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ И ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ
, ОТВОДИМОЙ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, РАБОТАЮЩИХ НА ДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ
Наравне с дви
гателями внутреннего сгорания, работающих на природном газе, бензине и прочих топлив, воспламенение которых происходит от свечи зажигания, широкое применение получили двигатели, работающие на дизельном топливе, где принцип работы, а следовательно и термоди
намических цикл двигателя в значительной степени отличается от цикла двигателем внутреннего сгорания со свечой зажигания. Отличие в цикле, главным образом, характеризуется степенью сжатия в ступени двигателя, что в свою очередь отражается на температуре вы
хлопных газов двигателя. На рисунке 4.
9 представлена зависимость температуры выхлопных газов дизельного двигателя после турбины турбонаддува от электрической мощности генератора, привод которого осуществляет дизельных двигатель. 0
100
200
300
400
500
600
700
1
10
100
1000
10000
Электрическая мощность [кВт]
Температура выхлопных газов [С]
Рис.
4.
9. Зависимость
температуры выхлопных газов дизельного двигателя после турбины турбонаддува от электрической мощности генератора.
Минимальное значение температуры выхлопных газов равно 452°С при электрической мощности 1020 кВт, а максимальное значение температуры выхл
опных газов равно 586°С при электрической мощности 88 кВт. Сравнивая эти данные, которые были приведены на рисунке 5, можно сделать вывод о том, что в дизельных двигателях температура выхлопных газов примерно на 1,15 раз выше, чем в газовых двигателях. Как
уже было отмечено выше, это принципиальным образом зависит от термодинамических процессов, а также от принципа работы двигателей. На рисунке 4.
10 представлена зависимость тепловой мощности, уносимой продуктами сгорания дизельного топлива от электрической
мощности генератора. При построение графика принималось Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
во внимание, что тепловая мощность, уносимая продуктами сгорания топлива получается при охлаждении продуктов сгорания от температуры газа при выходе из турбины компрессора наддува до температуры 120
°С. Для получения тепловой мощности, которая получится при полном охлаждении продуктов сгорания –
т.е. до температуры окружающей среды, которую можно принять 25°С –
можно воспользоваться коэффициентом пересчета, равным 1,15 … 1,35. Это среднее отношение т
епловой мощности, которая получена при охлаждении выхлопных газов до температуры 25°С к тепловой мощности, которая получена при охлаждении выхлопных газов до температуры 120°С. Данный коэффициент получен для двигателей, работающих на природном газе или ему
подобных газах и является в известной степени приближенным. y = 0,00382x + 35,09650
R
2
= 0,24810
y = 1,00302x - 0,00373
R
2
= 0,98234
0
500
1000
1500
2000
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Доля теплоты [%]
Рис.
4.
10. Зависимость тепловой мощности, уносимой продуктами сгорания дизельного топлива от электрической мощности генератора (левая шкала). Зависимость доли теплоты в общем тепловом баланс
е, которая уносится выхлопными газами, от электрической мощности.
На рисунке 4.
11 представлена зависимость тепловой мощности, отводимой с рубашкой охлаждения двигателя в зависимости от электрической мощности генератора, привод которого осуществляется дв
игателем. На рисунке 4.
12 представлена зависимость тепловой мощности, отводимой с рубашкой охлаждения и с выхлопными газами при их охлаждении до температуры 120 °С от электрической мощности генератора, привод которого осуществляется двигателем. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
y = 41,97586x
-0,13348
R
2
= 0,54189
y = 0,38334x + 31,28068
R
2
= 0,83493
0
200
400
600
800
1000
1200
0
500
1000
1500
2000
2500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Доля теплоты [%]
Р
ис.
4.
11. Зависимость тепловой мощности, отводимой с рубашкой охлаждения двигателя в зависимости от электрической мощности генератора, привод которого осуществляется двигателем по левой шкале. Доля теплоты по правой шкале.
y = -0,00116x + 59,78160
R
2
= 0,01836
y = 1,38636x + 31,27694
R
2
= 0,97579
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
Электрическая мощность [кВт]
Суммарная тепловая мощность [кВт]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Доля теплоты [%]
Рис.
4.
12. Зависимость тепл
овой мощности, отводимой с рубашкой охлаждения и с выхлопными газами при их охлаждении до температуры 120 °С от электрической мощности генератора, привод которого осуществляется двигателем. Доля теплоты по правой шкале.
Из представленных соотношений можн
о в первом приближении оценить долю теплоты, которая покидает двигатель с рубашкой охлаждения, с выхлопными газами, а также тепло охлаждения воздуха в интеркулере. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
4
.5
.
А
НАЛИЗ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННО
СТИ
Помимо все более широкого применения использования двигателей внутреннего сгорания, работающих как на дизельном топливе, так и на природном газу или на газах ему подобному для автономной выработки электрической энергии, всё же основным направлением исп
ользования двигателей внутреннего сгорания является автомобильная техника. В период эксплуатация автомобиля основной статьёй затрат является топливо, часть которого расходуется непосредственно для выработки электрической энергии, которая в современной авт
омобильной технике идёт те только на обслуживание необходимых электронных систем работы двигателя, а также на создание комфортных условий для пассажиров автомобиля. Сюда относится и системы кондиционирования (в случае если привод компрессора осуществляется
от электродвигателя), подогрев салона, где он невозможен от системы охлаждения двигателя, работы различных медиаустройств и т.д. В тоже время тепло выхлопных газов, которые, как показал анализ в предыдущих главах, может находиться в районе 30% и выше того
тепла, которое подводится с топливом, выбрасывается в атмосферу. Здесь же стоит упомянуть и тепло, которое получается при охлаждении двигателя, которое, однако, является низкопотенциальным и частично используется для обогрева салона автомобиля. В данной главе сделана попытка оценить количество тепла, которое может быть получено в двигателе внутреннего сгорания на основе данных, полученных в предыдущих главах и данных которые приведены в каталоге фирм
-
изготовителей двигателей. За исходные данные были взят
ы данные дизельных двигателей фирмы MAN
модели D
0834 и D
0836
, мощностью 103 –
206 кВт (
140 –
280 лошадиных сил), исходные данные которых приведены в таблице №
4.
1. Таблица №
4.
1. Технические данные по мощности и по виду топлива двигателей фирмы MAN
серии
D
0834 и D
0836
.
Тип двигателя
Номинальная мощность
Топливо
[ кВт ]
[ л.с. ]
D0834 LOH
125
170
Дизельное
D0834 LOH
132
180
D0836 LOH
162
220
D0836 LOH
206
280
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Данный тип двигателя и данной серии был выбран не случайно, так как двига
тели с данной мощностью являются наиболее популярными для установки их на машины типа «маршруток» и малогабаритных грузовых машинах. В таблице №
4.
2 приведены данные из паспортных данных по температуре выхлопных газов перед турбонаддувом и после него. Поск
ольку газ совершает работу в турбине, соотвествено его температура при этом понижается. Таблица №
4.
2.
Тип двигателя
Номинальная мощность
Температура выхлопных газов
До ТН
После ТН
[ кВт ]
[ л.с. ]
[ C ]
[ C ]
D0834 LOH
125
170
700
600
D
0834 LOH
132
180
700
600
D0836 LOH
162
220
620
520
D0836 LOH
206
280
710
600
Как видно из таблицы температура выхлопных газов для данного типа двигателей при его работе в номинальном режиме может достигать 600°С. В таблице №
4.
3 приведены данные по тепловой мощности выхлопных газов с учётом зависимостей, которые были получены для дизельных двигателей в предыдущих главах. При этом принималось во внимание КПД электрического генератора, который можно принять 0,97. Таблица №
4.
3.
Тип двигателя
Номинальн
ая мощность
Температура выхлопных газов
Тепловая мощность ВГ
До ТН
После ТН
[ кВт ]
[ л.с. ]
[ C ]
[ C ]
[ кВт ]
D0834 LOH
125
170
700
600
129,25
D0834 LOH
132
180
700
600
136,49
D0836 LOH
162
220
620
520
167,51
D0836 LOH
206
280
7
10
600
213,01
Однако следует отметить, что эти данные получены для номинальной мощности работы двигателя при температуре выхлопных газов порядка 600 °С. При изменение мощности отличной от номинальной эти данные будут порядком изменены. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
В таблице №
4.
3 п
риведены данные по тепловой мощности, отводимой от двигателя с рубашкой охлаждения, а в таблице №4 приведены значения суммарной тепловой мощности, которая отводится от дизельного двигателя внутреннего сгорания в процессе его работы при номинальной нагрузки
. Таблица №
4.
3.
Тип двигателя
Номинальная мощность
Температура выхлопных газов
Тепловая мощность ВГ
Мощность рубашки охлаждения
До ТН
После ТН
[ кВт ]
[ л.с. ]
[ C ]
[ C ]
[ кВт ]
[ кВт ]
D0834 LOH
125
170
700
600
129,25
80,64
D0834
LOH
132
180
700
600
136,49
83,4
D0836 LOH
162
220
620
520
167,51
95,24
D0836 LOH
206
280
710
600
213,01
112,62
Таблица №
4.
4.
Тип двигате
ля
Номинальная мощность
Температура выхлопных газов
Тепловая мощность ВГ
Мощность рубашки охлаждения
Суммарная тепловая мощность
До ТН
После ТН
[ кВт ]
[ л.с. ]
[ C ]
[ C ]
[ кВт ]
[ кВт ]
[ кВт ]
D0834 LOH
125
170
700
600
129,25
80,64
209,89
D0834 LOH
132
180
700
600
136,49
83,4
219,89
D0836 LOH
162
220
620
520
167,51
95,24
262,75
D0836 LOH
206
280
710
600
213,01
112,62
325,63
Данные, полученные для данной серии дизельных двигателей, являются, в известной степени, приближенными, однако наглядно демонстрируют порядок тепловой мощности, которую мощно полезно утилизировать. Также эти расч
еты показывают значения тепловой мощности только для номинального режима работы двигателя, в котором двигатель работает достаточно непродолжительное количество времени. Здесь имеет смысл провести оценочные выкладки по тепловой мощности в диапазоне работы д
вигателя от режима холостого хода до номинала, однако это выходит за рамки представленного здесь оценочного исследования. Полезно помнить, что помимо теплоты от рубашки двигателя и выхлопных газов, в процессе работы также отводится теплота от сжатого возду
ха в интеркулере. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
4
.6
.
Т
ЕПЛО МИКРОТУРБИННЫЙ УСТАНОВОК
Наряду с газопоршневыми установками для автономной выработки электрической энергии всё большую популярность приобретают микротурбинные установки, которые как газопоршневые установки могут использовать
в качестве топлива такие топлива как природный газ или ему подобные, керосин, дизельное топливо и прочие, в том числе и низкосортные с повышенным содержанием сероводорода S
H
2
. В зависимости от мощности, электрический КПД микротурбинных
установок может находиться в широких пределах от 25 до 35%. Однако всё остальное тепло, которое получено микротурбинной установкой с топливом уходит в атмосферу в отработавшими газами. Принцип работы микротурбинной установки ничем не отличается от принци
па работы обычной газовой турбины (см. рисунок № 4.
13).
Рис.
4.
13. Принцип работы микротурбинной установки.
Основное отличие микротурбинных установок от обычных газовых турбин заключается в наличие рекуператора тепловой энергии, который устанавливает
ся на выходе выхлопных из газовой турбины. Это не является принципиальным отличие микротурбинных установок от обычных газовых турбин мощностью от 4 МВт и выше, где установка рекуператора оказывает незначительное увеличение КПД, но очень сильно загромождает
установку. КПД больших газовых турбин доведено на сегодняшний день до 43% главным образом за счёт высокой температуры газов перед газовой турбиной, что является достаточно трудновыполнимой задачей для микротурбинных установок. Поэтому для повышения КПД м
икротурбинных установок применяется рекуператор тепловой энергии, что ограничивает температуру газов за газовой турбинной. В таблице 4.
4 приведены технические характеристики для микротурбинных установок фирмы Capstone
.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Таблица №
4.
4.
Электрическая мощно
сть
КПД по электричеству
Максимальная температура выхлопных газов
[ кВт ]
[ С ]
Capstone C30
30
26
275
Capstone C65
65
29
309
Capstone C200
200
33
280
Capstone C600
600
33
280
Capstone C800
800
33
280
Capstone C1000
1000
33
280
Из таблицы в
идно, что при увеличении номинальной мощности эффективный КПД установки увеличивается. Температура горящий газов перед газовой турбинной доведена в микротурбинной установки до значения 810 … 850 °С, что обеспечивает низкий уровень эмиссии оксидов азота. П
оскольку сама микротурбинная установка имеет хороший теплоизолирующий кожух, то единственными потерями тепловой энергии можно считать теплоту, уходящую с выхлопными газами. В таблице №5 представлены данные о выходе тепловой энергии с отработавшими газами.
Данные взяты из проспекта на микротурбинные установки фирмы Capstone
.
Таблица №
4.
5.
Электрическая мощность
КПД по электричеству
Максимальная температура выхлопных газов
Выход тепловой энергии
[ кВт ]
[ С ]
[ кДж/час ]
Capstone C30
30
26
275
30
5 000
Capstone C65
65
29
309
591 000
Capstone C200
200
33
280
1 420 000
Capstone C600
600
33
280
4 260 000
Capstone C800
800
33
280
5 680 000
Capstone C1000
1000
33
280
7 100 000
Согласно этим данным можно вычислить ту тепловую мощность, которая тер
яется с выхлопными газами. Однако, как и в предыдущих главах необходимо помнить, что, как и температура, так и количество теплоты зависит от электрической мощности на которой в данный момент работает установка. В таблице №
4.
6 приведены данные по тепловой мощности, а на рисунке 4.
14 представлена зависимость тепловой мощности, которая теряется с выхлопными газами от электрической мощности микротурбины.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Таблица №
4.
6.
Электрическа
я мощность
КПД по электричест
ву
Максимальная температура выхлопных газов
Выход тепловой энергии
Тепловая мощность
[ кВт ]
[ С ]
[ кДж/час ]
[ кВт ]
Capstone C30
30
26
275
305 000
84,72
Capstone C65
65
29
309
591 000
164,17
Capstone C200
200
33
280
1 420 000
394,44
Capstone C600
600
33
280
4 260 000
1183,33
Capstone C80
0
800
33
280
5 680 000
1577,78
Capstone C1000
1000
33
280
7 100 000
1972,22
y = 1,94283x + 23,45563
R
2
= 0,99981
0
500
1000
1500
2000
2500
0
200
400
600
800
1000
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
Рис. №
4.
16. Зависимость тепловой мощности, которая теряется с выхлопными
газами, от электрической мощности микротурбины
Помимо фирмы Capstone
микрогазотурбинные установки е
щё выпускает достаточно большое количество фирм, среди которых также Ingersoll
Rand
и Turbec
. К примеру, фирма Turbec
в техническом описании своей микротурбинной установки приводит следующие технические данные для установки мощностью 100 кВт.
-
электрич
еская мощность -
100 кВт;
-
электрический КПД -
30%;
-
температура выхлопных газов за рекуператором -
270 °С;
-
расход отработавших газов –
0,80 кг/сек.
Эти данные очень хорошо коррелирует с данными, которые были приведены фирмой Capstone
. В целом те
рмодинамический баланс не зависит от производителя установки. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
4
.7
.
Т
ЕПЛО МИНИ
-
ТЭЦ НА БАЗЕ ГАЗОПОРШНЕВЫХ УСТАНОВОК
Вслед за бурным развитием распределённой энергетики –
электростанции на базе газопоршневых и микрогазотурбинных установок, работающих на газо
вом топливе, жидком топливе, широкое распространение получила когенерации, или говоря привычным термином теплофикация –
одновременная выработка электрической и тепловой энергии. Смысл заключается в том, что тепло охлаждения масла и рубашки двигателя внутре
ннего сгорания, а также тепло выхлопных газов идёт на нагрев воды, которая потом используется на отопление и горячее водоснабжение. Это в значительной степени повышает коэффициент использования топлива в газопоршневых и микротурбинных установок, который пр
и выработке электрической энергии может находиться на уровне 30 …40%, а при одновременной выработки электрической и тепловой энергии может находиться на уровне 80 … 90%. Однако эти величины во многом определяются графиком потребителей тепловой энергии. К п
римеру, стандартный температурный график в России составляет 90/70°С. (90°С –
это температура прямой воды, которая подаётся на отопление, 70°С –
температура обратной воды, которая подаётся на подогрев). Также встречаются температурные графики 80/100°С, 70/
110°С и 60/80°С. Однако потребление тепла на отопления является сезонным фактором и летом оно сводится только на нужны горячего водоснабжения. Однако вслед за когенерацией пришла технология тригенерации, которая позволяет тепло охлаждения двигателя и выхл
опных газов направлять на выработку холода. Главным образом это применяется в летний сезон, когда потребление тепловой энергии минимально. Однако технология тригенерации не получила на данный момент широкого применения, так как срок окупаемости проекта мин
и
-
ТЭЦ при этом сильно возрастает. Дело в том, что стоимость абсорбционных холодильных машин достаточно велика. Поэтому в большинстве случаев является рациональным использовать парокомпрессионные холодильные машины. Далее рассмотрим и проанализируем тепло
вой баланс трёх мини
-
ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей фирмы GE
Jenbacher
различной электрической мощностью. Стоит сразу отметить, что данные приведённые в таблице относятся к номинальному режиму работы мини
-
ТЭЦ -
т.е. имеет место быть полная электричес
кая нагрузка, а также полная тепловая нагрузка. Особенностью работы мини
-
ТЭЦ также является то, что тепловая мощность является побочным продуктом, а электрическая энергия вырабатывается в том количестве, которая она потребляется потребителем в случае автон
омной работы (без работы на сеть). Поэтому при снижении электрической нагрузки снижается также и тепловая мощность, в частности это также влияет на температуру выхлопных газов. Все эти параметры в той или иной степени должны быть исследованы для того, чтоб
ы иметь ясное представление о том, какое количество тепла можно получить при работе мини
-
ТЭЦ в том или ином режиме в зависимости от электрической нагрузки, а также от тепловой нагрузки. Однако эта задача выходит за рамки этого обзора и может быть выполнена
отдельной темой.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
В таблице № 4.
7 представлен тепловой баланс мини
-
ТЭЦ на базе двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 1800 кВт. Таблица №
4.
7.
JMS
-
612 GS
-
N.L.
Параметр
Тепловой баланс
Подводимая тепловая энергия
[ кВ
т ]
4 200
Электрическая мощность
[ кВт ]
1 802
Полезная утилизируемая тепловая мощность (график 90/70 °
С)
[ кВт ]
1 792
в т.ч. 1
-
ая ступень интеркулера
[ кВт ]
347
в т.ч. смазочное масло
[ кВт ]
183
в т.ч. рубашка охлаждения
[ кВт ]
290
в т.ч. вы
хлопной газ, охлаждённый до 120 °
С
[ кВт ]
972
Отводимое тепло для рассеивания, в т.ч.
поверхностное излучение
[ кВт ]
157
остаточное тепло
[ кВт ]
42
вторая ступень интеркулера (40/44 °
С)
[ кВт ]
92
Тепло выхлопных газов с 120°С до 20°С
[ к
Вт ]
315
Электрический КПД
[ % ]
42,90
Тепловой КПД
[ % ]
42,67
Тепловые потери
[ % ]
14,43
Параметры выхлопного газа и воздуха для горения
Температура выхлопного газа при полной нагрузке
[ °С ]
428
Выделение тепла при охлаждении выхло
пных газов до 180 °
С
[ кВт ]
788
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 120 °
С
[ кВт ]
972
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 100 °
С
[ кВт ]
1 033
Массовый расход выхлопного газа, влажного
[ кг/ч ]
10 230
Массовый расход выхло
пного газа, сухого
[ кг/ч ]
9 552
Объёмный расход выхлопного газа, влажного
[ нм3/ч ]
8 071
Объёмный расход выхлопного газа, сухого
[ нм3/ч ]
7 256
Максимально допустимое противодавление выхлопов тракта
[ мбар ]
60
Массовый расход воздуха для горен
ия
[ кг/ч ]
9 928
Объёмный расход воздуха для горения
[ нм3/ч ]
7 680
В данном случае на подогрев воды используется тепло первой ступени интеркулера, тепловой мощностью 347 кВт, смазочное масло двигателя, тепло рубашки охлаждения суммарной мо
щностью 773 кВт, а также тепло выхлопных газов, которые охлаждаются с температуры 428 °С до температуры 120 °С. Принципиальная схема подогрева сетевой воды представлена на рисунке №
4.
17. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Рис.
4.
17. Принципиальная схема подогрева сетевой воды в мини
-
ТЭ
Ц на базе двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 1800 кВт.
В данной схеме не задействована вторая ступень охлаждения интеркулера, так как температуры там достаточно низки для подогрева сетевой воды. Принципиальная схема охлаждения второй ступени интеркулера представлена на рисунке 4.
18. Рис.
4.
18. Принципиальная схема охлаждения второй ступени интеркулера двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 1800 кВт
Анализируя тепловой баланс можно прийти к выводу (см. таблицу 4.
7) что где
-
то око
ло 43% подведённой энергии с топливом идёт на выработку электрической энергии, около 42% подведённого тепла используется для нагрева сетевой воды и порядка 15 подведённого с топливом тепла выбрасывается в атмосферу. Однако следует ещё раз напомнить, что да
нный расклад теплового баланса характерен только для номинального режима работы и при полной утилизации тепловой энергии, отведённой с сетевой водой согласно графику 70/90°С.
На рисунке 4.
19 представлена круговая диаграмма распределения тепла, которое подв
едено к мини
-
ТЭЦ с топливом.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
42,90
42,67
14,43
Рис.
4.
19. Круговая диаграмма распределения тепла, поступающего с топливом на мини
-
ТЭЦ.
Принципиальная схема утилизации тепла охлаждения масла и рубашки двигателя составлена таким образом, чтобы полностью отводить ненужно
е тепло. В этом смысле, как система охлаждения двигателя, так и воздуха в интеркулере должна полностью отводить тепло. Первое влияет на отсутствие перегрева двигателя во время его работы, а второе влияет на электрический КПД двигателя. В это же время урове
нь температуры выхлопных газов не является критическим для работы двигателя, поэтому их тепло используется в последнюю очередь. При охлаждении выхлопных газов ниже 120 °С следует помнить, что если в топливе содержится сероводород, то в выхлопных газах буде
т содержаться диоксид серы, который может образовывать с парами воды серную и сернистую кислоту, которая конденсируясь на стенках теплообменника будет разъедать его поверхность, что очень скоро выведет его из строя. В таблице №
4.
8 представлен тепловой бал
анс мини
-
ТЭЦ на базе двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 24
00 кВт. Таблица №
4.
8.
JMS
-
616 GS
-
N.L.
Параметр
Тепловой баланс
Подводимая тепловая энергия
[ кВт ]
5 606
Электрическая мощность
[ кВт ]
2 391
Полезная ут
илизируемая тепловая мощность (график 90/70 °
С)
[ кВт ]
2 399
в т.ч. 1
-
ая ступень интеркулера
[ кВт ]
474
в т.ч. смазочное масло
[ кВт ]
236
в т.ч. рубашка охлаждения
[ кВт ]
409
в т.ч. выхлопной газ, охлаждённый до 120 °
С
[ кВт ]
1 280
Отводимое тепло для рассеивания, в т.ч.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
поверхностное излучение
[ кВт ]
204
остаточное тепло
[ кВт ]
56
вторая ступень интеркулера (40/44 °
С)
[ кВт ]
126
Тепло выхлопных газов с 120°С до 20°С
[ кВт ]
430
Электрический КПД
[ % ]
42,65
Тепловой КПД
[ % ]
42,79
Тепловые потери
[ % ]
14,56
Параметры выхлопного газа и воздуха для горения
Температура выхлопного газа при полной нагрузке
[ °С ]
418
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 180 °
С
[ кВт ]
1 029
Выделение тепла при о
хлаждении выхлопных газов до 120 °
С
[ кВт ]
1 280
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 100 °
С
[ кВт ]
1 363
Массовый расход выхлопного газа, влажного
[ кг/ч ]
13 950
Массовый расход выхлопного газа, сухого
[ кг/ч ]
13 045
Объёмный расход в
ыхлопного газа, влажного
[ нм3/ч ]
11 001
Объёмный расход выхлопного газа, сухого
[ нм3/ч ]
9 913
Максимально допустимое противодавление выхлопов тракта
[ мбар ]
60
Массовый расход воздуха для горения
[ кг/ч ]
13 547
Объёмный расход воздуха для гор
ения
[ нм3/ч ]
10 480
На рисунке 4.
19 представлена принципиальная схема подогрева сетевой воды, а на рисунке 4.
20 представлена схема охлаждения второй ступени интеркулера, отводимое тепло которого не используется для нагрева сетевой воды. Поскольку температурный график прямой и обратной воды остался прежним, а количество отводимого тепла возросло с электрической мощностью, то здесь соответственно увеличился расход сетевой воды. Аналогично возрос и расход воды через интеркулер, а также темпе
ратура воды на выходе из него. Согласно таблице №
4.
8 соотношение между количеством тепловой энергии подведённой с топливом на выработку электрической энергии, количеством тепловой энергии, которая пошла на подогрев сетевой воды, а также той тепловой энерг
ии, которая была отведена для рассеивания, главный образом, не изменилось. По опыту автора электрический КПД уровня 42% и выше является очень хорошим показателем и обычно может быть достигнут только на энергоблоках большой единичной мощности, поэтому к зн
ачениям, приведённым в таблице, надо относиться с некоторой долей осторожности, так как есть вероятность, что эти данные являются немного завышенными. Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Рис.
4.
19. Принципиальная схема подогрева сетевой воды в мини
-
ТЭЦ на базе двигателя GE
Jenbacher
эле
ктрической мощностью 2400 кВт.
Рис.
4.
20. Принципиальная схема охлаждения второй ступени интеркулера двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 2400 кВт.
В таблице №9 представлен тепловой баланс мини
-
ТЭЦ на базе двигателя GE
Jenbacher
электриче
ской мощностью 3000 кВт. Таблица №
4.
9.
JMS
-
620 GS
-
N.L.
Параметр
Тепловой баланс
Подводимая тепловая энергия
[ кВт ]
7 076
Электрическая мощность
[ кВт ]
2 996
Полезная утилизируемая тепловая мощность (график 90/70 °
С)
[ кВт ]
3 021
в т.ч. 1
-
ая ступень интеркулера
[ кВт ]
525
в т.ч. смазочное масло
[ кВт ]
326
в т.ч. рубашка охлаждения
[ кВт ]
538
в т.ч. выхлопной газ, охлаждённый до 120 °
С
[ кВт ]
1 631
Отводимое тепло для рассеивания, в т.ч.
поверхностное излучени
е
[ кВт ]
266
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
остаточное тепло
[ кВт ]
71
вторая ступень интеркулера (40/44 °
С)
[ кВт ]
188
Тепло выхлопных газов с 120°С до 20°С
[ кВт ]
534
Электрический КПД
[ % ]
42,34
Тепловой КПД
[ % ]
42,69
Тепловые потери
[ % ]
14,97
Пара
метры выхлопного газа и воздуха для горения
Температура выхлопного газа при полной нагрузке
[ °С ]
425
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 180 °
С
[ кВт ]
1 320
Выделение тепла при охлаждении выхлопных газов до 120 °
С
[ кВт ]
1 631
Выдел
ение тепла при охлаждении выхлопных газов до 100 °
С
[ кВт ]
1 735
Массовый расход выхлопного газа, влажного
[ кг/ч ]
17 325
Массовый расход выхлопного газа, сухого
[ кг/ч ]
16 181
Объёмный расход выхлопного газа, влажного
[ нм3/ч ]
13 666
Объёмный расх
од выхлопного газа, сухого
[ нм3/ч ]
12 293
Максимально допустимое противодавление выхлопов тракта
[ мбар ]
60
Массовый расход воздуха для горения
[ кг/ч ]
16 816
Объёмный расход воздуха для горения
[ нм3/ч ]
13 008
На рисунке 4.
21 представлена принципиальная схема подогрева сетевой воды, а на рисунке 4.
22 представлена схема охлаждения второй ступени интеркулера, отводимое тепло которого не используется для нагрева сетевой воды для энергоблока на базе газопоршневого двигателя фирмы G
E
Jenbacher
электрической мощностью 3000 кВт.
Рис.
4.
21. Принципиальная схема подогрева сетевой воды в мини
-
ТЭЦ на базе двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 3000 кВт.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Рис.
4.
22. Принципиальная схема охлаждения второй ступени интеркул
ера двигателя GE
Jenbacher
электрической мощностью 3000 кВт.
Как уже было отмечено выше, график сетевой воды может отличаться от значений 70/90 °С. Так на рисунке 4.
23 показана схема подогрева сетевой воды с графиком 70/110 °С.
Рис.
4.
23. Схема подог
рева сетевой воды с температурным графиком 70/110 °С.
На рисунке 4.
24 показана зависимость тепловой мощности мини
-
ТЭЦ отводимой для рассеивания от электрической мощности (левая шкала) и доля от подведённого тепла рассеиваемой мощности (правая шкала). y = -0,00000x + 0,14535
R
2
= 0,00006
y = 0,34759x - 20,91881
R
2
= 0,99997
0
200
400
600
800
1 000
1 200
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Электрическая мощность [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Доля тепла [%]
Рис.
4.
24. Зависимость тепловой мощности мини
-
ТЭЦ отводимой для рассеивания от электрической мощности (левая шкала) и доля от подведённого тепла рассеиваемой мощности (правая шкала)
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Анализируя все выше изложенное можно сделать вывод о том, что при полной
загрузке мини
-
ТЭЦ доля тепла, которая отводится от мини
-
ТЭЦ для рассеивания, составляет около 15% от подведённого тепла с топливом. При этом температурный уровень достаточно низок для газопоршневых машин –
температура воздуха перед интеркулером второй сту
пени составляет порядка 50 … 60 °С, температура выхлопных газов находится на уровне 110 … 120 °С. Однако это является своеобразным минимум –
т.е. гарантированное количество тепла и его температурный уровень, который можно получить при работе мини
-
ТЭЦ в ном
инальном режиме. Все эти данные в значительной мере меняются при изменении электрической и тепловой нагрузки. 4
.8
.
Т
ЕПЛО МИНИ
-
ТЭЦ НА БАЗЕ ГАЗОТУРБИННЫХ МИКРОУСТАНОВОК
Помимо двигателей внутреннего сгорания для автономного энергоснабжения всё более широку
ю популярность приобретают микротурбинные установки. Ранее был проведён анализ их работы, где было показано то количество тепла, которое выбрасывается с уходящими дымовыми газами. Однако несмотря на рекуперацию тепловой энергии на выходе из микрогазотурбин
ных установок их электрический КПД всё равно остаётся на достаточно низком уровне и составляет порядка 26% для малых мощностей и 33% для мощностей порядка 1000 кВт. Из таблицы 4.
6 видно, что температура после рекуператора составляет порядка 280 °С. Обычно это тепло используют, как в мини
-
ТЭЦ на базе газопоршневых агрегатов для подогрева сетевой воды согласно графику 70/90 °С. Рис.
4.
25. Схема использования тепла микрогазотурбинных установок.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Принципиальная схема утилизации тепла для нужд отопления, горячего водоснабжения, а также для возможной выработки холода при помощи абсорбционных холодильных машин, представлена на рисунке 4.
25. Как и в случае мини
-
ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей, тепло от микрогазотурбинных установок в значительно степени
является сезонным. Так как в ДВС тепло выхлопных газов является побочным продуктом и его количество во многом зависит от электрической нагрузки микротурбины. Охлаждение выхлопных газов происходит как правило до 90 °С, так как при более глубоком охлаждении
в случае высокосернистого топлива возможно образование сернистой и серной кислоты, что будет негативно влиять на теплообменные поверхности теплообменника. Ниже в таблице 4.
10 приведены технические характеристики микрогазотурбинной установки электрической
мощностью 100 кВт фирмы turbec
, работающей как в режиме электроэнергия, так и в режиме электроэнергия / тепло. Таблица №
4.
10. Технические характеристики Подведённое количество тепла с топливом
[ кВт ]
333
Расход выхлопных газов
[ кг/сек ]
0,8
Температура выхлопных газов на выходе из рекуператора
[ °
C ]
270
Электрическая мощность
[ кВт ]
100
Электрический КПД
[ % ]
30
Общая эффективность
[ % ]
77
Тепловая мощность
[ кВт ]
155
Минимальная температура сетевой воды на входе
[
°
C ]
50
Максимальная температура сетевой воды на выходе
[ °
C ]
150
Температура выхлопных газов
[ °
C ]
90
Тепловой баланс
Подведенное количество тепла с топливом
[ кВт ]
333
Электрическая мощность
[ кВт ]
100
Тепловая мощность (мощность отвед
ённая с горячей водой)
[ кВт ]
155
Тепловая мощность для рассеивания
[ кВт ]
78
Электрический КПД
[ % ]
30,03
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Тепловой КПД
[ % ]
46,55
Тепловые потери
[ % ]
23,42
Сопоставляя таблицы тепловых балансов мини
-
ТЭЦ на базе газопоршневых агрегатов и на базе микротурбинных установок можно прийти к выводу, что количество тепла, которое рассеивается в микрогазотурбинной установке, составляет около четверти от всего подводимого тепла к ней. Однако с ростом электрической мощности электрический КПД устано
вки возрастает, что также сказывается на том количестве тепла, которое выбрасывается в атмосферу. Проведём анализ этих соотношений.
В таблице №
4.
11 приведены значения электрической мощности и электрического КПД для микротурбинных установок фирмы Capstone
, а на рисунке 26 представлена эта зависимость в виде графика. Таблица №
4.
11.
Электрическая мощность
Электрический КПД
[ кВт ]
[ % ]
30
26
65
29
200
32
600
33
800
33
1000
33
0
5
10
15
20
25
30
35
1
10
100
1000
Электрическая мощность [кВт ]
Электрический КПД [%]
Рис.
4.
26. Зависимость электрического КПД микрогазотурбинной ус
тановки
в зависимости от электрической мощности.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
Поскольку с ростом электрической мощности также возрастает и электрический КПД, то доля тепла, которая выбрасывается в атмосферу, при неизменной доли тепла, которая полезно утилизируется для нагрева сете
вой воды, будет уменьшаться. Основная задача понять эти соотношения. В таблице 4.
12 представлены данные для микротурбинной установок фирмы Capstone
для различных электрических мощностей и при различных степенях охлаждения выхлопных газов.
Таблица №
4.
12.
Э
лектрическая мощность
Охлаждение до 150 °
С
Охлаждение до 120 °С
Охлаждение до 90 °С
[ кВт ]
[ кВт ]
[ кВт ]
[ % ]
[ кВт ]
[ кВт ]
[ % ]
[ кВт ]
[ кВт ]
[ % ]
30
42
43
37,4
51
34
29,6
61
24
20,9
65
90
69
30,8
107
52
23,2
124
35
15
,6
200
197
228
36,5
243
182
29,1
288
137
21,9
600
592
626
34,4
728
490
27,0
865
353
19,4
800
789
835
34,4
971
653
26,9
1153
471
19,4
1000
986
1044
34,5
1214
816
26,9
1441
589
19,4
Столбец с красными цифрами это та тепловая мощность, которая идёт на п
одогрев сетевой воды, столбец с серыми цифрами это та тепловая мощность, которая выбрасывается с выхлопными газами и столбец с синими цифрами это доля тепловой энергии, выбрасываемой с выхлопными газами. На рисунках 4.
27, 4.
28 и 4.
29 представлены графическ
ие зависимости для этих данных.
y = 1,03172x + 10,75199
R
2
= 0,99976
0
200
400
600
800
1000
1200
0
200
400
600
800
1000
1200
Электрическая мощность установки [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
Доля тепла [%]
Рис.
4.
27. Зависимость тепловой мощности, которая теряется с выхлопными газами и доля этой тепловой мощности в общем тепловом балансе установки от электрической мощности установки при охлаждении выхлопных газов до 150 °С
.
Отчёт: "
Анализ низкопотенциального тепла и возможность его утилизации
"
.
Раздел: "
Тепло двигателей внутреннего сгорания и ГТУ
"
автор: Н.Д. Денисов
-
Винский
©
, www
.
denisov
-
vinskiy
.
ru
y = 0,80624x + 9,02992
R
2
= 0,99956
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0
200
400
600
800
1000
1200
Электрическая мощность установки [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Доля тепла [%]
Рис.
4.
28. Зависимость тепловой мощности, которая теряется с выхлопными газами и доля этой тепловой мощности в общем тепловом балансе установки от электрической мощности установки при охлаждении выхлопных газов до 120 °С.
y = 0,58144x + 7,00110
R
2
= 0,99896
0
100
200
300
400
500
600
700
0
200
400
600
800
1000
1200
Электрическая мощность установки [кВт]
Тепловая мощность [кВт]
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
Доля тепла [%]
Рис.
4.
29. Зависимость
тепловой мощности, которая теряется с выхлопными газами и доля этой тепловой мощности в общем тепловом балансе установки от электрической мощности установки при охлаждении выхлопных газов до 90 °С.
Приведённые зависимости помогут проанализировать работу
микрогазотурбинных установок на тепловую мощность, которая теряется с выхлопными газами после подогрева сетевой воды.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа