Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine
The most efficient way of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is connected with the method of thermochemical recuperation, based on the reactions of fuel reforming with exhaust gases (EG). The aim of this work is to develo...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/507 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103946553032704 |
|---|---|
| author | Shraiber O.A. Yatsenko V.P. |
| author_facet | Shraiber O.A. Yatsenko V.P. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Shraiber O.A.",
"institution": null
},
{
"author": "Yatsenko V.P.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Shraiber O.A. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | The most efficient way of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is connected with the method of thermochemical recuperation, based on the reactions of fuel reforming with exhaust gases (EG). The aim of this work is to develop a scheme of using thermochemical recuperation for a reciprocating internal combustion engine, working with a certain air excess, and a method of its thermodynamic calculation. Since the presence of oxygen in the reagent of fuel reforming decreases substantially its parameters, we propose a way of oxygen removal from that part of EG which serves as the reagent of reforming. The scheme consists of a heat exchanger for using the sensible heat of reformed fuel (RF), a combustion chamber where a certain part of RF is burnt in oxygen of the corresponding part of EG, and two parallel thermochemical reactors. We also give some examples of calculation of the scheme mentioned above, which show that its use enables one to economize up to 12.2 % of primary fuel. For comparison, we calculate the simplest scheme where the reagent of fuel reforming contains oxygen. In this case, the fuel economy is by 4.3 – 6.8 % lower. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 4 (35) 47
УДК 536.7 О. А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, В. П. ЯЦЕНКО, канд. техн. наук
Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ
ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВИХ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ МЕТОДОМ ТЕРМОХІМІЧНОЇ
РЕГЕНЕРАЦІЇ У ДВИГУНІ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
Запропоновано схему використання теплоти відпрацьованих газів двигуна внутрішньо-
го згоряння, що працює на природному газі, за допомогою термохімічної регенерації.
Схема дозволяє забезпечити утворення безкисневого реагенту для конверсії палива,
що значно підвищує її ефективність. Розроблено метод термодинамічного розрахунку
відповідної установки.
К л ю ч о в і с л о в а: термохімічна регенерація, відпрацьовані гази, двигун внутрішньо-
го згоряння, конвертоване паливо, термодинамічний розрахунок.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ
Відпрацьовані гази різноманітних теплоенерге-
тичних і теплотехнологічних установок, що
працюють на природному газі, у багатьох
випадках мають досить високу температуру, і
тому пошук шляхів використання їх фізичної
теплоти є важливою задачею енергозбережен-
ня. Найбільш поширений варіант тут пов’яза-
ний із нагріванням повітря, що подається на
спалювання, але він має, як мінімум, два недо-
ліки: 1) кількість повітря і його питома тепло-
ємність менше, ніж відповідні параметри про-
дуктів згоряння (ПЗ); 2) з підвищенням темпе-
ратури повітря зростає емісія NOx. Крім того, є
випадки, коли нагрівання повітря взагалі
неприпустиме, наприклад, для двигунів внутрі-
шнього згоряння (ДВЗ). Тут єдиним способом
використання теплоти ПЗ є метод термохіміч-
ної регенерації (ТХР) [1]. Його основним еле-
ментом є ендотермічна реакція вихідного пали-
ва (вважаємо, що воно складається з чистого
метану) із відповідним окислювачем – най-
більш просто і зручно з продуктами згоряння. У
цій роботі розробляється схема використання
ТХР для ДВЗ та метод її термодинамічного роз-
рахунку.
Як відомо [1], присутність кисню в реагенті
процесу конверсії помітно знижує його показ-
ники. Тому, якщо двигун працює з певним над-
лишком повітря (α > 1), то при розробленні
схеми використання методу ТХР доцільно тим
чи іншим способом видалити кисень із реаген-
ту. Один із можливих варіантів наведено на рис.
1 (характерні точки позначені літерами у кру-
жечках). Продукти згоряння після двигуна над-
ходять у теплообмінник 3, де нагріваються за
рахунок фізичної теплоти конвертованого
палива (КП). Далі ПЗ розділяються на два
потоки: А і В, і перший із них подається у каме-
ру згоряння 4. Туди також надходить певна
(невелика) частина утвореного в реакторах 5 і 6
конвертованого палива (речовина С). Потоки А
і С підбираються таким чином, щоб на спалю-
вання КП із потоку С було повністю витрачено
весь кисень, що міститься у потоці А, і в резуль-
таті утворюється газова суміш із досить висо-
кою температурою, що не містить кисню (на
рис. 1 позначена як ПЗ`). Ця речовина через
високотемпературний реактор 5 надходить на
змішування з природним газом. Далі утворена
реагуюча суміш розділяється на потоки Е і F,
що подаються у реактори 5 і 6 відповідно.
Конвертовані палива з обох реакторів змі-
© О.А. ШРАЙБЕР, В.П. ЯЦЕНКО, 2013
шуються, і утворене остаточне КП розділяється
на потоки С і D.
Таким чином, розроблена схема дозволяє
підвищити ступінь конверсії не тільки за раху-
нок видалення кисню із реагенту, а і через під-
вищення температури теплоносіїв перед термо-
хімічними реакторами. Тут необхідно відзначи-
ти, що це досягається шляхом спалювання пев-
ної частини КП у камері згоряння 4, і, отже,
a priori неочевидно, чи дасть ця схема помітну
економію палива. Тому побудуємо рівняння
матеріального балансу елементів схеми.
Позначимо через y та z частки КП і ПЗ після
апарата 3, що надходять до камери згоряння
(потоки С і А). Вважаючи, що реакція конверсії
стехіометрична (якщо ні, то зміни алгоритму
непринципові), маємо такий склад суміші газів
(GMC – gas mixture composition) в точці а
(рис. 1) на 1 кмоль вихідного палива:
(1)
(кількість азоту заздалегідь невідома). Як відо-
мо, склад КП (тобто ступінь конверсії φ) не
впливає на склад продуктів його згоряння,
тому далі для скорочення запису умовно вва-
жаємо φ = 1. Тоді
Останнє паливо згоряє у ДВЗ з певним кое-
фіцієнтом надлишку повітря α, і в результаті
матимемо у точці d
(2)
та у точці е
GMCe = z GMCd. (3)
З іншого боку, склад речовини у точці f
такий:
Зрозуміло, що камера 4 повинна працювати
без надлишку окислювача. Тоді, щоб повністю
спалити потік С, необхідно витратити 2у кіло-
молів кисню, але згідно з (2), (3) кількість
кисню, що надходить до камери з потоком А,
становить 2z (1 – y) (α – 1) кіломолів. Отже,
отримуємо перше рівняння для невідомих y, z,
w:
z (1 – y) (α – 1) = у. (4)
Тепер визначимо склад речовини у точці g.
Сюди надходять ПЗ із точки е (див. (2), (3)),
але без кисню, а також продукти стехіометрич-
ного згоряння КП із точки f:
(5)
Але, як видно з рис. 1, GMCg повинен дорів-
нювати GMCa, і тому з (1), (5) отримуємо ще
два рівняння:
4[z (1 – y) + y] = 1; (6)
(7,52α + w) z (1– y) + yw = w. (7)
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 4 (35)48
Рис. 1. Схема установки для використання теплоти відпрацьованих газів ДВЗ: 1 – ДВЗ;
2 – холодильник; 3 – теплообмінник; 4 – камера згоряння; 5 – «високотемпературний» реактор;
6 – «низькотемпературний» реактор; 7, 8 – змішувачі; ПЗ`– продукти згоряння без кисню
О.А. ШРАЙБЕР, В.П. ЯЦЕНКО
Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації у двигуні внутрішнього згоряння
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 4 (35) 49
Розв’язок системи (4), (6) завжди існує та
єдиний:
у = 0,25 (α – 1)/α; z = (3α + 1)–1. (8)
Наприклад, при α = 1,2 маємо у = 0,04167;
z = 0,2174, а при α = 1,1 – у = 0,02273;
z = 0,2326. Підставляючи (8) у (7), отримуємо
w = 7,52/3 незалежно від α. Відзначимо, що цей
результат далеко не очевидний. Дійсно, потік А
містить зайвий (у порівнянні зі стехіометрич-
ним спалюванням) азот, і, отже, на перший
погляд, w повинно зростати з α. Але у продук-
тах згоряння потоку С азоту дуже мало, оскіль-
ки тут окислювачем є не повітря, а продукти
згоряння із ДВЗ. В результаті склад реагенту
(точка а) такий самий, як і в традиційних схе-
мах.
Опишемо стисло метод термодинамічного
розрахунку даної схеми. Використовуємо такі
самі позначення, як і в [2], та вважаємо, що
втратами теплоти в усіх апаратах і трубопрово-
дах можна нехтувати. Для кожного варіанта
розрахунку вводяться такі вихідні дані: α, Td, Th,
Ti, Tj, Tk, частка v реагуючої суміші, що подаєть-
ся в реактор 5, а також коефіцієнти у формулах
для істинної теплоємності семи речовин, що
розглядаються: СН4, N2, Н2, СО2, СО, Н2О, О2
[2]. Перш за все за допомогою програми
EQCO4 [1] розраховується процес конверсії в
реакторах 5 і 6 (рис. 1). Далі обчислюються
параметри КП в точці b, після змішування
потоків з обох реакторів (температура, хімічний
склад, калорійність, ентальпія та повна енталь-
пія). Оскільки теплоємність речовин, що роз-
глядаються, істотно змінюється з температу-
рою, для знаходження Tb будується ітераційний
процес, описаний в [2].
Наступним етапом є розрахунок тепло-
обмінника 3: всі параметри в точках c, d, j відо-
мі, і легко обчислити ентальпію та температуру
продуктів згоряння в точці l. Будується енерге-
тичний баланс камери згоряння 4, що дає мож-
ливість знайти всі параметри у точці g. Тепер
розраховується реактор 5. Тут теж необхідно
побудувати ітераційний процес: задаємо певну
Ta
(1) (верхній індекс – номер ітерації), обчис-
люємо відповідну ентальпію Ia
(1) та параметри в
точці m, із рівняння енергетичного балансу
реактора 5 знаходимо нові значення ентальпії
та температури Ta
(2) і т. д. Останнім кроком є
розрахунок реактора 6, що дає можливість
знайти температуру Tn.
Тепер необхідно перевірити, чи задоволь-
няють знайдені температури очевидні умови:
Tl – Th > ΔT1; Tc – Tl > ΔT2; Tg – Ti > ΔT3;
Tn – Tm > ΔT4; Ta – Tm > ΔT5, (9)
і, якщо ні, змінити вихідні дані. Зрозуміло, що
чим вище температури Th i Ti, тим краще іде
процес конверсії, і більше буде економія пали-
ва. Але підвищення цих температур призведе до
порушення нерівностей (9). Тому вибирались
такі температури, щоб усі нерівності (9)
виконувались для ΔTp > 20 – 25 град. Деякі
результати проведених розрахунків як приклад
наводяться у таблиці (тут α = 1,2; v = 0,247 для
варіанта 1 та 0,27 для варіанта 2).
Економія первинного палива обчислюва-
лась за очевидною формулою
ψ = (1 – Q1 / Jk) . 100 %, (10)
де Q1 – калорійність метану. Для порівняння
було також виконано термодинамічний розра-
Рис. 2. Залежність економії палива від температури ПЗ:
1 – схема на рис. 1; 2 – проста схема
О.А. ШРАЙБЕР, В.П. ЯЦЕНКО
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 4 (35)50
Таблиця – Параметри робочого тіла
хунок «простої» схеми, де ПЗ після двигуна з
певним вмістом кисню надходять як теплоносій
у термохімічний реактор, а потім відповідна їх
частина надходить безпосередньо на конверсію.
Зрозуміло, що у цьому випадку калорійність КП
і економія палива ψ° будуть нижче, ніж за схе-
мою на рис. 1. Значення ψ і ψ° для різних темпе-
ратур ПЗ після двигуна показано на рис. 2.
Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації у двигуні внутрішнього згоряння
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2013, вип. 4 (35) 51
Як видно, запропонована схема дає набага-
то кращі результати, ніж схема з реагентом, що
містить кисень, причому різниця між схемами
збільшується зі зменшенням температури Td, де
негативний вплив кисню більш помітний.
ВИСНОВКИ
Запропоновано нову схему використання
теплоти відпрацьованих газів двигуна внутрі-
шнього згоряння на основі методу термохіміч-
ної регенерації. Схема дозволяє забезпечити
утворення безкисневого реагенту для конверсії
палива, що значно підвищує її ефективність.
Розроблено метод термодинамічного розрахун-
ку установки. Показано, що запропонована
схема дозволяє зекономити до 12,2% вихідного
палива.
1. Шрайбер О. А. Використання теплових
вторинних енергоресурсів методом термохі-
мічної регенерації. Розрахунок конверсії
палива / О.А. Шрайбер // Проблеми загаль-
ної енергетики. – 2013. – №2(33). –
С. 39 – 42.
2. Шрайбер О. А. Використання теплових
вторинних енергоресурсів методом термохі-
мічної регенерації. Метод розрахунку газо-
турбінної установки / О.А. Шрайбер //
Проблеми загальної енергетики. – 2013. –
Вип. 3 (34). – С. 47–51.
Надійшла до редколегії: 23.10.2013
Рецензент
Зав. відділу оптимізації розвитку
паливних баз ІЗЕ НАН України,
канд. техн. наук
О.В. Стогній
|
| id | systemreorg-article-507 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:16:17Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/0f/93a919afccf5019f54eb8cd897d2270f.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5072026-07-18T12:57:41Z Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації у двигуні внутрішнього згоряння Shraiber O.A. Yatsenko V.P. thermochemical recuperation, exhaust gases, internal combustion engine, reformed fuel, thermodynamic calculation. термохімічна регенерація, відпрацьовані гази, двигун внутрішнього згоряння, конвертоване паливо, термодинамічний розрахунок. The most efficient way of the use of thermal secondary energy resources, being formed in various thermal facilities working on natural gas, is connected with the method of thermochemical recuperation, based on the reactions of fuel reforming with exhaust gases (EG). The aim of this work is to develop a scheme of using thermochemical recuperation for a reciprocating internal combustion engine, working with a certain air excess, and a method of its thermodynamic calculation. Since the presence of oxygen in the reagent of fuel reforming decreases substantially its parameters, we propose a way of oxygen removal from that part of EG which serves as the reagent of reforming. The scheme consists of a heat exchanger for using the sensible heat of reformed fuel (RF), a combustion chamber where a certain part of RF is burnt in oxygen of the corresponding part of EG, and two parallel thermochemical reactors. We also give some examples of calculation of the scheme mentioned above, which show that its use enables one to economize up to 12.2 % of primary fuel. For comparison, we calculate the simplest scheme where the reagent of fuel reforming contains oxygen. In this case, the fuel economy is by 4.3 – 6.8 % lower. Найбільш доцільний шлях використання теплових вторинних енергоресурсів, що утворюються у різних теплових установках, які працюють на природному газі, пов’язаний із методом термохімічної регенерації, що ґрунтується на реакціях конверсії палива з продуктами згоряння (ПЗ). Мета цієї статті – розробити схему використання термохімічної регенерації для двигуна внутрішнього згоряння, що працює з певним надлишком повітря, та метод її термодинамічного розрахунку. Оскільки присутність кисню в реагенті для конверсії палива істотно знижує її показники, ми пропонуємо спосіб видалення кисню з тієї частини ПЗ, що служить як реагент для конверсії. Схема складається із теплообмінника для використання ентальпії конвертованого палива (КП), камери згоряння, де певна частка КП спалюється у кисні відповідної частини ПЗ, та двох термохімічних реакторів, встановлених паралельно. Наводяться також приклади розрахунку згаданої схеми, які демонструють, що її використання дозволяє зекономити 12,2% первинного палива. Для порівняння було розраховано найпростішу схему, де реагент для конверсії палива містить кисень. У цьому випадку економія палива на 4,3–6,8% менша. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2013-12-19 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/507 System Research in Energy; No. 4 (35) (2013): The Problems of General Energy; 47-51 Системні дослідження в енергетиці; № 4 (35) (2013): Проблеми загальної енергетики; 47-51 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/507/441 Copyright (c) 2013 Shraiber O.A., Yatsenko V.P. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | thermochemical recuperation exhaust gases internal combustion engine reformed fuel thermodynamic calculation. Shraiber O.A. Yatsenko V.P. Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title_alt | Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації у двигуні внутрішнього згоряння |
| title_full | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title_fullStr | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title_full_unstemmed | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title_short | Use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| title_sort | use of thermal secondary energy resources by the method of thermochemical recuperation in a reciprocating internal combustion engine |
| topic | thermochemical recuperation exhaust gases internal combustion engine reformed fuel thermodynamic calculation. |
| topic_facet | thermochemical recuperation exhaust gases internal combustion engine reformed fuel thermodynamic calculation. термохімічна регенерація відпрацьовані гази двигун внутрішнього згоряння конвертоване паливо термодинамічний розрахунок. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/507 |
| work_keys_str_mv | AT shraiberoa useofthermalsecondaryenergyresourcesbythemethodofthermochemicalrecuperationinareciprocatinginternalcombustionengine AT yatsenkovp useofthermalsecondaryenergyresourcesbythemethodofthermochemicalrecuperationinareciprocatinginternalcombustionengine AT shraiberoa vikoristannâteplovihvtorinnihenergoresursívmetodomtermohímíčnoíregeneracííudvigunívnutríšnʹogozgorânnâ AT yatsenkovp vikoristannâteplovihvtorinnihenergoresursívmetodomtermohímíčnoíregeneracííudvigunívnutríšnʹogozgorânnâ |