Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів

Для утилізації низькотемпературних теплових вторинних енергоресурсів запропоновано схему енергоперетворюючого комплексу для одночасного вироблення теплової та електричної енергії із застосуванням водневої турбоустановки та термосорбційного компресора. Наведено етапи розрахунку основних елементів ене...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Проблемы машиностроения
Date:	2014
Main Authors:	Кошельнік, О.В., Чорна, Н.А.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2014
Subjects:	Нетрадиционная энергетика
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80995
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів / О.В. Кошельнік, Н.А. Чорна // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 2. — С. 46-53. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860259047214678016
author	Кошельнік, О.В. Чорна, Н.А.
author_facet	Кошельнік, О.В. Чорна, Н.А.
citation_txt	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів / О.В. Кошельнік, Н.А. Чорна // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 2. — С. 46-53. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Проблемы машиностроения
description	Для утилізації низькотемпературних теплових вторинних енергоресурсів запропоновано схему енергоперетворюючого комплексу для одночасного вироблення теплової та електричної енергії із застосуванням водневої турбоустановки та термосорбційного компресора. Наведено етапи розрахунку основних елементів енерготехнологічного комплексу. Проведено аналіз його роботи в діапазоні температур димових газів на вході в теромосорбційний компресор 523–723 К та визначено основні характеристики водневого контуру енергосилової установки. Отримана електроенергія може бути використана для вироблення водню на технологічні потреби. Для утилизации низкотемпературных тепловых вторичных энергоресурсов предложена схема энергопреобразующего комплекса для одновременного производства тепловой и электрической энергии с применением водородной турбоустановки и термосорбционного компрессора. Представлены этапы расчета основных элементов энерготехнологического комплекса. Проведен анализ его работы в диапазоне температур дымовых газов на входе в теромосорбционный компрессор 523–723 К и определены основные характеристики водородного контура энергосиловой установки. Полученная электроэнергия может быть использована для производства водорода на технологические нужды. The scheme of energy conversion complex for the simultaneous thermal and electric power production with the application of hydrogen turbine unit and thermal sorption compressor for waste recovery of low-temperature secondary thermal power resources has been proposed. A structure and basic design stages of the metal hydride systems for energy technological hydrogen processing have been determined. It allows to calculate system operation and completely to define a complex of structural and operation parameters which characterize its general effectiveness. The technique and calculation algorithm of thermo-sorption interaction metal-hydride - hydrogen is developed for case using the kinetic factor. The analysis of unit operation in a range of flue gas temperatures 523–723 K at the inlet to the thermal sorption compressor has been carried out and the main characteristics of the hydrogen circuit of the power plant have been determined. The obtained electric power can be consumed by electrolyzing plants for hydrogen production for the needs of technological processes.
first_indexed	2025-12-07T18:52:54Z
format	Article
fulltext	НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 46 О. В. Кошельнік, канд. тех. наук Н. А. Чорна, канд. тех. наук Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків, е-maіl: chernaya-nata@maіl.ru Ключові слова: енерготехноло- гічний комплекс, вторинні енерго- ресурси, воднева турбоустановка, термосорбційний компресор, енергоефективність. УДК 536.24, 621.576.5 ПЕРСПЕКТИВИ ВИКОРИСТАННЯ ВОДНЕВИХ ЕНЕРГОПЕРЕТВОРЮЮЧИХ СИСТЕМ ДЛЯ УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОВИХ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ Для утилізації низькотемпературних теплових вторинних енергоресурсів запропоновано схему енергоперетворюючого комплексу для одночасного вироблення теплової та електричної енергії із застосуванням водневої турбоустановки та термосорбційного компресора. Наведено етапи роз- рахунку основних елементів енерготехнологічного комплексу. Проведено аналіз його роботи в діапазоні температур димових газів на вході в те- ромосорбційний компресор 523–723 К та визначено основні характерис- тики водневого контуру енергосилової установки. Отримана електро- енергія може бути використана для вироблення водню на технологічні потреби. Вступ Сьогодні політика підвищення енергоефективності на всіх етапах виробництва і споживання енергетичних ресурсів є важливим чинником подальшого розвитку економіки та створення умов для енергетичної безпеки держави. Промислові комплекси, в яких реалізуються високотемпературні теп- лотехнологічні процеси, формують технічну базу таких енергоємних галузей виробництва, як чорна та кольорова металургія, хімічна та будівельна промисловість. Відомо, що на більшості підприємств України випуск продукції в цих галузях здійснюється з підвищеними питомими витратами енергоре- сурсів і характеризується інтенсивним забрудненням навколишнього середовища [1]. Так, теплота димових газів регенеративних повітронагрівачів доменних печей становить 15–20% від витрати теп- лоти на підігрів гарячого дуття. При цьому температура газів на виході з теплообмінників складає 200 – 400 °С. У скляній промисловості, незважаючи на застосування багатоступінчатих систем утилі- зації теплоти, температура димових газів після плавильних печей може становити 150–400 °С. Тут у тепловому балансі печей втрати з димовими газами сягають до 40% внесеної теплоти в робочий про- стір [2]. Тому з огляду на значні обсяги вторинних енергетичних ресурсів на промислових підприємс- твах сьогодні актуальною залишається проблема утилізації низькотемпературних теплових викидів при рівні температур 200–400 °С. Постановка проблеми Найбільш поширеним засобом використання теплового потенціалу димових газів є доповнення теплотехнологічних схем високотемпературних установок додатковими утилізаційними агрегатами. Це надає можливості, крім підігріву повітря горіння, отримати пару технологічних або енергетичних параметрів, електроенергію або механічну енергію для приводу компресорів та вентиляторів, холод в абсорбційних холодильних установках. Але генерація водяної пари в традиційних котлах-утилізаторах при температурі димових газів менш 400 °С є досить проблематичною. Тому найбільш часто ця теплота застосовується для підігріву повітря горіння або штучного газоподібного палива. Проте найбільш ефективним з точки зору більш повного застосування енергетичного потенціалу палива є використання утилізаційних схем з когенерацією, тобто з одночасним отриманням електричної та теплової енергії. Істотним недоліком таких схем є великі розміри турбомашин та турбоприводів, наявність в них значної кількості додаткового обладнання – конденсаторів, ежекторних і деаераційних установок та ін. Альтернативою традиційним паровим турбінам є застосування як робочого тіла низкокиплячої рідини. Перевагою при цьому є можливість © О. В. Кошельнік, Н. А. Чорна, 2014 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 47 використання теплоти з низьким температурним рівнем, але досить велика вартість робочого тіла в багатьох випадках призводить до низької економічної ефективності роботи таких схем. Як відомо, для замкнених циклів термодинамічна ефективність в значній мірі залежить від вибору робочого тіла. Із зменшенням атомності зростає показник адіабати і, як наслідок, термічний ККД. Ефективність застосування тієї чи іншої речовини у цьому випадку також залежить від значення газової сталої R. Все це створює передумови розглядати як альтернативу гази з малою молекулярною масою, до яких належить й водень. Технічні можливості теплоенергетичних устано- вок, спосіб роботи яких базується на властивості оборотних металогідридів поглинати водень низько- го тиску і виділяти його при нагріванні під підвищеним тиском, відкривають принципово новий шлях створення енергетичних установок, що зможуть забезпечити отримання різних видів енергії за раху- нок споживання теплоти низького температурного потенціалу [3]. Але розробка та реалізація техно- логії утилізації низькопотенційних теплових викидів промислових підприємств з використанням вод- невих енергоперетворюючих установок пов’язана із певними труднощами, що викликані насамперед необхідністю урахування взаємозв’язку складних фізико-хімічних процесів в окремих елементах сис- теми. Метою роботи є аналіз ефективності використання водневих енергоперетворюючих комплек- сів для утилізації низькопотенційних теплових вторинних енергоресурсів промислових підприємств та розробка методики розрахунків його ключових елементів. Викладення основної частини дослідження Розглянемо перспективи використання водневих енергоперетворюючих комплексів на прикладі технологічної схеми скловарного виробництва. Витрати енергії на виробництво скломаси навіть на підприємствах провідних світових виробників залишаються досить високими й становлять 3,8–8,3 ГДж/т скломаси. Сучасна ванна піч скловарного виробництва може мати загальну теплову ефективність до 50% [4]. При цьому основними втратами є втрати з димовими газами та через огородження печі. Теплову схему виробництва скломаси в паливних печах безперервної дії наведено на рис. 1. При виробництві листового скла для його формування після виходу скломаси з плавильної печі використовується флоат-процес. Процес формування стрічки скла на розплаві металу здійснюється у ванні, що являє собою тепловий агрегат, який містить шар розплавленого металу, захисну відбудовну атмосферу, обладнання для подачі скломаси та виводу стрічки з ванни розплаву в піч відпалу. Необхідність створення захисної атмосфери викликана присутністю кисню. Захисна відбудовна атмосфера являє собою суміш інертного газу (азот) та відновлюючих газів – оксиду вуглецю та водню у різних співвідношеннях. Вміст водню в суміші складає від 3 до 10 % об. Типовий флоат-резервуар споживає в середньому 60 – 100 нм3/год водню високого ступеня чистоти [5]. Сьогодні на більшості скловарних підприємств водень отримують на водневих станціях за допомогою електролізерів. З огляду на наявність відповідного устаткування для одержання та транспортування водню, його використання як робочого тіла в енергоперетворюючих теплоутилізаційних комплексах скловарного виробництва не призведе до значних додаткових витрат. Рівень температур димових газів за теплотехнологічними комплексами скловарного виробни- цтва відповідає рівню температур, необхідному для забезпечення роботи металогідридних термо- Рис. 1. Теплова схеми установки для виробництва скломаси: П – паливо; О – окислювач; ВМ – вихідні матеріали; ТП – технологічний продукт; ДГ – димові гази НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 48 сорбційних компресорів. У таких схемах може бути застосовано водневу турбіну, у якій за рахунок спрацювання енергії стисненого водню виробляється механічна енергія для приводу в дію електроге- нератора. Оскільки перепад тиску, що забезпечує теромосорбційний компресор, у декілька разів пе- ревищує той, що необхідно для спрацювання низькопотенційної теплоти в турбіні, з'являється мож- ливість організувати процес розширення з декількома проміжними перегрівами робочого тіла, що підвищить ККД турбоустановки [6]. На рис. 2 подано схему інтеграції водневої силової установки в теплотехнологічний комплекс скловарного виробництва. Розглянемо докладно роботу даної схеми. В піч подаються технологічні матеріали (шихта) та паливо з температурами tтм1 та tпал відповідно. Склобій з температурою tтм1, в свою чергу, подається в електрофільтр-підігрівник, в якому за рахунок теплоти димових газів він підігрівається до tтм2. Одночасно тут здійснюється очищення газів від пилу, який осідає в шарі склобою. Далі підігрітий склобій змішується з іншими технологічними матеріалами, і шихта з температурою tтм3 потрапляє в скловарну піч. Підігріте в рекуператорі ТО повітря горіння подається у пальниковий пристрій печі з температурою tпов2. Вихідними потоками є готовий продукт (скломаса) з температурою tгп та димові гази, які мають температуру tг1. Вони потрапляють у рекуперативний теплообмінник ТО і далі по газоходу – у фільтр-підігрівник. Передавши частину тепла склобою, гази направляються в теплообмінник ТО1, де стиснений водень після ТСК2 нагрівається від температури tвод2 до tвод3. Кінцевим ступенем утилізації є «гаряча» сторона компресора ТСК2, в якому димові гази охолоджуються від температури tг4 до tг5 та після цього подаються в димосос. Тут тиск водню збільшується до рівня Р2, а температура – до tвод2. Процес стиснення водню здійснюється на «гарячій» стороні компресора, а процес розширення відбувається в водневій турбіні, де тиск водню зменшується до Р1. Водень низького тиску подається на «холодну» сторону ТСК1, де здійснюється процес сорбції. Процес супроводжується виділенням певної кількості теплоти, яка відводиться системою охолодження (температура холодоагенту змінюється від tох1 до tох2). Для стиснення водню в подібних схемах можливо використовувати й традиційні механічні компресори. Але в такому випадку для перетворення тепла в потенційну енергію стисненого газу слід здійснити ще додаткове перетворення тепла в механічну роботу, що супроводжується значною втратою працездатності. Витрати енергії на стиснення у термосорбційному компресорі практично не залежать від ступеня підвищення тиску. У механічному компресорі, навпаки, з ростом співвідношення тисків відбувається значне зростання енергії, що втрачається на стиснення робочого тіла. При цьому варто мати на увазі те, що термосорбційний компресор використовує як джерело енергії низькопотенційну теплоту з високим ступенем термодинамічної досконалості. Для оцінки ефективності застосування водневого енергоперетворюючого комплексу необхідно розробити методику дослідження металогідридних утилізаційних систем та виділити модулі, які відображають основні етапи створення металогідридних систем. В першу чергу необхідно визначити кількість генераторів-сорберів для термосорбційного компресора. Основною вимогою при Рис. 2. Інтеграція водневої силової установки в теплотехнологічну схему скловарного виробництва: П – скловарна піч; ТО – рекуператор для підігріву повітря горіння; ФП – фільтр-підігрівник склобою; ТО1 – теплообмінник для підігріву водню; ВТ – воднева турбіна; ТСК1, 2 – термосорбційний компресор НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 49 цьому є забезпечення безперервної подачі водню споживачеві у заданому обсязі. Здійснення безперервної подачі робочого тіла системою, яка складається з ряду елементів – джерел робочого тіла, що генерують його періодично, може бути забезпечено у випадку безперервного проходження одного за іншим процесів генерації. Подібною системою є термосорбційний компресор, що складається з декількох генераторів-сорберів, робота яких організована таким чином, що фази нагнітання водню кожним з них, чергуючись у часі, зливаються в безперервний процес подачі стиснутого водню в магістраль високого тиску компресора. Далі обирається тип часового циклу роботи генератора-сорбера. Вибір типу циклів залежить від тривалості циклів всмоктування та нагнітання, а також потужності підводу та відводу теплоти. Стосовно роботи термосорбційного компресору, найбільш прийнятним є симетричний цикл. Важливим етапом проектування металогідридних систем є визначення параметрів роботи та характеристик генераторів-сорберів. При цьому слід враховувати, що режим роботи генераторів- сорберів повинен задовольняти умову безперервності подачі водню та забезпечення найбільшого ККД. Це потребує визначення ряду ключових параметрів, що характеризують енергетичну ефективність роботи компресора – тиску нагнітання, ступеня стиснення, тривалості циклів та ін. Одним з основних етапів тут є модуль, в якому здійснюється розрахунок процесів тепломасо- переносу в шарі металогідриду. Враховуючи складність процесів, що проходять в металогідридному шарі та істотний вплив на них конструктивних і технологічних параметрів генераторів-сорберів, най- більш ефективним засобом розв’язання цієї задачі є застосування методів математичного моделювання. На цей час відомий ряд робіт, пов'язаних із створенням фронтальних і зонних математичних моделей процесу тепломасопереносу в металогідридах з використанням різних чисельних методів [7, 8]. При формуванні математичних моделей вважалося, що розвинена активна поверхня й відносно високі швидкості взаємодії водню з поверхнею частинок гідриду не лімітують швидкості термо- хімічної реакції. Обґрунтованість даного припущення правочинна лише для процесів, близьких до рівноважних [9]. На підставі аналізу явищ, що відбуваються при гідруванні дрібнодисперсного інтерметаліду, базовими рівняннями, що описують процес взаємодії водню з металогідридами, є рівняння теплопровідності, теплового балансу, нерозривності, рівняння, що описує зв'язок між тиском, температурою фазового переходу та масовмістом водню, а також рівняння швидкості реакції взаємодії металогідриду із воднем [10]. Враховуючи складність досліджуваних процесів при побудові математичної моделі, прийнято такі припущення: режим фільтрації водню – в’язкісний; механізм переносу тепла обумовлено теплопровідністю, конвекцією, фільтрацією вільного водню в порах гідриду; масоперенос відбувається по нормалі до нагріваючої поверхні; коефіцієнт стиснення газу ξ = 1,0; дифузійна складова масопереносу відсутня. Математичну модель процесу тепломасопереносу в гідриді було створено на базі системи таких рівнянь. Рівняння теплопровідності , β1 τ гг Н 2 2 2 2 г 2 r TJ c c z Т r T rr ТаТ ∂ ∂ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ ρ (1) де аг – коефіцієнт температуропровідності гідриду; β – поправковий коефіцієнт; 2НС – коефіцієнт теплоємності водню; сг – коефіцієнт теплоємності гідриду; ρг – густина гідриду; J – густина потоку водню. Рівняння тепломасопереносу для металогідридного елемента на межі розподілу фаз збідненого і насиченого воднем гідриду ,β1λ τ χ 2Н2 2 2 2 г r TJc z Т r T rr ТqS ∂ ∂ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ρ (2) де qS – тепловий ефект реакції термохімічної взаємодії металогідриду з воднем; χ – питомий масовміст водню в гідриді; λ – коефіцієнт теплопровідності. НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 50 Рівняння, що описує зв’язок між тиском, температурою фазового переходу і масовмістом водню ,)( 1 ln2)(χ 2Н 1 TR Н − Θ +⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Θ− Θ =Θ (3) де Θ – ступінь заповнення міжвузлів металогідридної матриці атомами водню; − Θ)(1Н – концентраційна залежність парціальної мольної ентальпії взаємодії між впровадженими атомами водню; 2НR – газова стала для водню. Рівняння нерозривності: τ χρП τξ 1 г Н2 ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ +=⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ r pJ r Jp r Jp Т р R , (4) де П – пористість металогідриду; ξ – коефіцієнт стиснення газу. Потік водню через шар гідриду відіграє важливу роль у переносі тепла і маси в термосорбційному процесі. Встановлено, що через малий характерний розмір (середній діаметр частинок гідриду відповідає діапазону 3–30 мкм) та швидкість руху водню, в реальних умовах мають місце режими течії, за яких Re < 1. За цих умов усереднення тиску і швидкості потоку водню при в'язкісному режимі дозволяють скористатися рівнянням руху у формі закону Дарсі. Рівняння для визначення густини потоку водню ( ) r рd ТR рhJ ∂ ∂ − = 2 2 ср Н 3 П1ξμ П 2 , (5) де h – коефіцієнт фільтрації; dсер – середній еквівалентний діаметр частинки гідриду; μ – динамічний коефіцієнт в’язкості. У математичній моделі на перших циклах розрахунку використовується рівняння швидкості реакції взаємодії металогідриду із воднем ii ak /τ)χ/χ1(1 3/1 =−− ∞ , (6) де величина ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ∞χ χ τd dai . У тому випадку, коли константа швидкості реакції досягає постійного значення, криві десорбції можуть бути описані рівнянням вигляду τ)χ/χ1lg( 3/1 k=−− ∞ . (7) Константа швидкості реакції для розглянутого класу гідридів визначалася із співвідношення k = f(p, T) [11]. Систему рівнянь (1–7) замикають початкові та граничні умови ІІІ роду. Виконання теплотехнічних розрахунків металогідридних систем припускає заданими не тільки термосорбційні, але й теплофізичні характеристики застосованих матеріалів. Наявні дані про теплофізичні властивості металогідридів носять уривчастий характер і не враховують ряд факторів, істотних для процесів теплопереносу при взаємодії металогідриду із воднем. Відсутність цих даних не дозволяє установити залежності теплофізичних характеристик від стадії процесу у реальному діапазоні зміни режимних параметрів, що вносить істотну похибку у результати розрахунку конструкції металогідридних елементів. Одним з найбільш ефективних шляхів ідентифікації теплофізичних характеристик є застосування інструментарію обернених задач теплопровідності, зокрема, для визначення коефіцієнтів ефективної теплопровідності металогідридів і його залежності від параметрів процесу взаємодії з воднем [12]. Математична модель тепломасопереносу в металогідриді в нелінійній постановці обумовлена залежністю теплофізичних властивостей і структурних характеристик металогідриду від параметрів термосорбційного процесу. Розв’язок описаної системи рівнянь відшукувався методом скінченних різниць. За допомогою математичної моделі тепломасопереносу в НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 51 металогідридах можливе визначення просторово-тимчасових полів температур, концентрації водню, тиску й масової витрати водню в шарі металогідриду, які не можуть бути отримані експериментальним шляхом. Таким чином, з урахуванням вищевикладеного, математична модель взаємодії водню з металогідридами є ефективним інструментом для формування раціональної конструкції металогідридних елементів водневих енергоперетворюючих систем і вибору оптимальних умов їхньої роботи. Наступним етапом проектування даної системи є визначення конструктивних характеристик водневої турбоустановки. Використання водню як робочого тіла в турбоустановках накладає ряд додаткових вимог, пов'язаних з його високою текучістю, підвищеними вибухо- та пожежною небезпекою, проблемою вибору матеріалів, що не зазнають водневої корозії. Окрім того, водень має досить високу теплоємність, що за інших рівних умов призводить до збільшення кількості ступенів у проточній частині турбіни в порівнянні із традиційними турбоустановками. Тому важливим питанням, що потребує першочергового вирішення при розробці водневого турбоагрегату, який може бути застосований на високоманеврових енергоблоках ТЕС, є розробка конструкції лопаткового апарата підвищеної ефективності, оптимізація конструктивних параметрів робочих лопатей та направляючого апарата проточної частини водневої турбіни. Ці питання докладно подано в роботі [13]. Останнім етапом при проведенні дослідження металогідридних систем є визначення гідравлічних характеристик системи з метою мінімізації загального гідравлічного опору та зменшення витрат енергії на його подолання. Основну увагу тут потрібно приділити визначенню гідравлічного опору генераторів-сорберів, фільтрів і газорозподільного механізму металогідридної установки. Розглянемо роботу утилізаційного комплексу з водневою турбоустановкою та термосорбцій- ним компресором, де використовується гідрид LaNi5H6,7. Теплота сорбції-десорбції гідриду – qs = 15500 кДж/кг. Тиск водню на виході з ТСК Р5 дорівнює 2 МПа. Температура робочого тіла в точ- ках 4 і 5 в області «ізотермічного плато» Т4 = T5, тиск Р4 = Р5. При максимальній температурі газів Тa приймемо перепад температур між газами і воднем ΔТ1 = Та – Т1 = 100 К, тобто температура водню в точці 1 – Т1 = Та – ΔТ1. Величина перепаду температур ΔТ2 = Тс – Т4 складає 22 К. Витрата димових газів складає Gг = 2 кг/с. Для визначення кількості робочого тіла в водневому контурі скористаємося формулою ( )51 г 2H 2H TTCq QG ps −+ = , (8) де Qг = GгСг(Тa – Тc) – кількість теплоти, що відбирається від димових газів та передається силовому контуру; Gг – масова витрата димових газів; Сг – масова теплоємність димових газів, кДж/(кг⋅К); 2HpC – масова теплоємність водню, кДж/(кг·К). Потужність водневої турбіни знаходиться як ( ) ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −= − kkp РР TCGN 1 35 1т / 11 2H2H , (9) де k = 1,41 – показник адіабати для водню; Р5/Р3 – ступінь підвищення тиску в термосорбційному компресорі. Маса та об’єм гідриду відповідно дорівнюють гідН гід 2 2H С G М = , гід гід гід ρ М V = , де гідН 2 С = 0,014 – доля водню в гідриді; ρгід = 2500 кг/м3 – густина гідриду. В таблиці наведено результати розрахунків за формулами (8)–(9) в залежності від рівня тем- ператур димових газів в діапазоні 523–723 К та тиску водню Р3 на вході в теромосорбційний компре- сор при постійній їх витраті. Електрична енергія, що виробляється в водневій турбоустановці, може бути використана для отримання водню в електролізерах, що застосовуються при флоат-способі виробництва скла. Питома НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 52 витрата електроенергії на вироблення 1 м3 водню в сучасних електролізерах складає 4–4,5 кВт⋅год/м3 [14]. Кількість водню, що може бути отримана за рахунок електроенергії при установці водневої турбіни, складає до 56 м3/год. Характеристики водневого контуру енергосилової установки для вироблення гарячого дуття та електроенергії Температура димових газів на вході в компресор Та, К Кількість теплоти, що передається водневому контуру Qг, кВт Тиск водню Р3, МПа Витрата робочого тіла в водневому контурі 2HG , кг/с Потужність водневої турбіни Nт, кВт 523 364 0,78 0,0224 32,6 573 503,6 0,55 0,0295 62,7 623 643,5 0,33 0,0362 110,9 673 783,5 0,2 0,0423 170 723 923,4 0,15 0,0476 225,5 Висновки Таким чином, для подальшого підвищення ефективності паливовикористання в технологічних схемах промислових підприємств запропоновано використання металогідридних систем утилізації низькопотенційних теплових викидів. На прикладі схеми склоробного виробництва визначено струк- туру та основні етапи розробки металогідридних технологій утилізації теплоти, що дає можливість провести розрахунки роботи системи з урахуванням взаємозв’язку фізико-хімічних процесів та особ- ливостей роботи кожного елемента системи, повністю визначити комплекс конструктивних та режи- мних параметрів, які характеризують її загальну ефективність. Однак слід зазначити, що при розгляданні питань інтеграції енергоперетворюючих комплексів на базі термосорбційного компресора та водневої турбіни на діючих промислових підприємствах необхідно додатково проводити інженерний аналіз отриманих результатів з урахуванням різних факторів – економічних, технічних, екологічних та ін. Поліпшення показників енергетичних установок, в тому числі теплоутилізаційних, можливо при аналізі складної сукупності пов’язаних між собою факторів. Існуючий функціональний зв'язок економічних, експлуатаційних і конструктивних характеристик дозволяє отримати їх оптимальні значення, що потребує проведення комплексу додаткових досліджень. Література 1. Стратегія енергозбереження в Україні: Аналітично-довідкові матеріали в 2-х т. Т. 1: Загальні засади енер- гозбереження / За ред. В. А. Жовтянського, М. М. Кулика, Б. С. Стогнія. − К.: Академперіодика, 2006. − 510 с. 2. Троянкин, Ю. В. Проектирование и эксплуатация высокотемпературных установок / Ю. В. Троянкин. – М.: Изд-во Москов. энерг. ин-та, 2002. – 324 с. 3. Интегрированные энергосберегающие теплотехнологии в стекольном производстве: монография / Л. Л. Товажнянский, В. М. Кошельник, В. В. Соловей, А. В. Кошельник. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2008. – 628 с. 4. Гойхман, В. Ю. Печная теплотехника в производстве стекла / В. Ю. Гойхман, В. Н. Руслов, В. А. Костыря. – Харьков: Факт, 1997. – 288 с. 5. Соловей, В. В. Энергосберегающие технологии генерации и энерготехнологической переработки водорода / В. В. Соловей, А. И. Ивановский, Н. А. Черная // Компрес. и энерг. машиностроение. – 2010. – № 2 (20). – С. 21–24. 6. Кошельнік, О. В. Розробка та аналіз схем високоефективних водневих енергоперетворюючих установок / О. В. Кошельнік, Н. А. Чорна // Вісн. Нац. техн. ун-ту «ХПІ». Енергетичні та теплотехнічні процеси і облад- нання. – 2012. – № 7. – С. 170–174. 7. Кузнецов, А. В. Метод приближенного расчета процессов тепло- и массопереноса при аккумулировании во- дорода в металлогидридах и анализ области его применимости / А. В. Кузнецов, В. М. Ливенцов // Инж. – физ. журн. – 1992. – Т. 63, № 6. – С. 737–743. 8. Choi, Н. Heat and mass transfer in metal hydride beds for heat pump applications / Н. Choi, А. Mills // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1990. – Vol. 33, № 6. – Р. 1281–1288. НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2014, Т. 17, № 2 53 9. Артеменко, А. Н. Расчет тепломассопереноса при термосорбционном взаимодействии металлогидрида с водородом / А. Н. Артеменко // Вопр. атом. науки и техники. Сер. Атом.-водород. энергетика и технология. – 1987. – № 3. – С. 61–63. 10. Мацевитый, Ю. М. Повышение эффективности металлогидридных элементов теплоиспользующих устано- вок / Ю. М. Мацевитый, В. В. Соловей, Н. А. Черная // Пробл. машиностроения. – 2006. – Т. 9, № 2.– С. 85– 93. 11. Мацевитый, Ю. М. Обратные задачи теплопроводности: В 2 т. Т. 2. Приложения. − Киев: Наук. думка, 2003. − 392 с. 12. Научные основы создания газотурбинныхустановок с термохимическим сжатем рабочего тела // Ю. М. Ма- цевитый, В. В. Соловей, В. Н. Голощапов, А. В. Русанов. – Киев: Наук. думка, 2011. – 252 с. 13. Соловей, В. В. Использование газопоглощающего электрода в электрохимической системе получения водо- рода и кислорода высокого давления / В. В. Соловей, А. А. Шевченко // Сб. тр. 6 Межд. симпозиума ВЭБ- МПГ-2009 (5–6 нояб. 2009 г.). – М.: МИРЭА, 2009. – С. 52–65. Надійшла до редакції 31.01.14
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80995
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0131-2928
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T18:52:54Z
publishDate	2014
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
record_format	dspace
spelling	Кошельнік, О.В. Чорна, Н.А. 2015-04-29T19:55:47Z 2015-04-29T19:55:47Z 2014 Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів / О.В. Кошельнік, Н.А. Чорна // Проблемы машиностроения. — 2014. — Т. 17, № 2. — С. 46-53. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80995 536.24, 621.576.5 Для утилізації низькотемпературних теплових вторинних енергоресурсів запропоновано схему енергоперетворюючого комплексу для одночасного вироблення теплової та електричної енергії із застосуванням водневої турбоустановки та термосорбційного компресора. Наведено етапи розрахунку основних елементів енерготехнологічного комплексу. Проведено аналіз його роботи в діапазоні температур димових газів на вході в теромосорбційний компресор 523–723 К та визначено основні характеристики водневого контуру енергосилової установки. Отримана електроенергія може бути використана для вироблення водню на технологічні потреби. Для утилизации низкотемпературных тепловых вторичных энергоресурсов предложена схема энергопреобразующего комплекса для одновременного производства тепловой и электрической энергии с применением водородной турбоустановки и термосорбционного компрессора. Представлены этапы расчета основных элементов энерготехнологического комплекса. Проведен анализ его работы в диапазоне температур дымовых газов на входе в теромосорбционный компрессор 523–723 К и определены основные характеристики водородного контура энергосиловой установки. Полученная электроэнергия может быть использована для производства водорода на технологические нужды. The scheme of energy conversion complex for the simultaneous thermal and electric power production with the application of hydrogen turbine unit and thermal sorption compressor for waste recovery of low-temperature secondary thermal power resources has been proposed. A structure and basic design stages of the metal hydride systems for energy technological hydrogen processing have been determined. It allows to calculate system operation and completely to define a complex of structural and operation parameters which characterize its general effectiveness. The technique and calculation algorithm of thermo-sorption interaction metal-hydride - hydrogen is developed for case using the kinetic factor. The analysis of unit operation in a range of flue gas temperatures 523–723 K at the inlet to the thermal sorption compressor has been carried out and the main characteristics of the hydrogen circuit of the power plant have been determined. The obtained electric power can be consumed by electrolyzing plants for hydrogen production for the needs of technological processes. uk Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України Проблемы машиностроения Нетрадиционная энергетика Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів Prospects of hydrogen energy conversion systems use for waste recovery of thermal secondary power resources in high-temperature heat technological complexes Article published earlier
spellingShingle	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів Кошельнік, О.В. Чорна, Н.А. Нетрадиционная энергетика
title	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
title_alt	Prospects of hydrogen energy conversion systems use for waste recovery of thermal secondary power resources in high-temperature heat technological complexes
title_full	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
title_fullStr	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
title_full_unstemmed	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
title_short	Перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
title_sort	перспективи використання водневих енергоперетворюючих систем для утилізації теплових вторинних енергоресурсів високотемпературних теплотехнологічних комплексів
topic	Нетрадиционная энергетика
topic_facet	Нетрадиционная энергетика
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80995
work_keys_str_mv	AT košelʹníkov perspektivivikoristannâvodnevihenergoperetvorûûčihsistemdlâutilízacííteplovihvtorinnihenergoresursívvisokotemperaturnihteplotehnologíčnihkompleksív AT čornana perspektivivikoristannâvodnevihenergoperetvorûûčihsistemdlâutilízacííteplovihvtorinnihenergoresursívvisokotemperaturnihteplotehnologíčnihkompleksív AT košelʹníkov prospectsofhydrogenenergyconversionsystemsuseforwasterecoveryofthermalsecondarypowerresourcesinhightemperatureheattechnologicalcomplexes AT čornana prospectsofhydrogenenergyconversionsystemsuseforwasterecoveryofthermalsecondarypowerresourcesinhightemperatureheattechnologicalcomplexes

Institution

Similar Items