Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)

The traditional method of the high-temperature elements of different thermal plants, connected with the use of heat-insulating materials, has substantial Shortcomings because a significant part of fuel energy is spent for cooling. A different, in principle, method is here connected with the technolo...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автор:	Shraiber O.A.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2016
Теми:	high-temperature elements thermochemical protection fuel reforming heat transfer energy balance mathematical model.
Онлайн доступ:	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/588
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_	1871104111213019136
author	Shraiber O.A.
author_facet	Shraiber O.A.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Shraiber O.A.", "institution": null } ]
author_sort	Shraiber O.A.
baseUrl_str	https://systemre.org/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T12:57:42Z
description	The traditional method of the high-temperature elements of different thermal plants, connected with the use of heat-insulating materials, has substantial Shortcomings because a significant part of fuel energy is spent for cooling. A different, in principle, method is here connected with the technology of thermochemical recuperation adapted to the problem under consideration (thermochemical protection). The known model of such system has serious mistakes, and, hence, we have developed a more correct model, based on the calculation of fuel reforming and heat transfer of the reacting gas mixture with the wall. It is necessary to conform the intensities of these processes and, in such a way, to satisfy the conditions of energy balance. We present examples of calculations that open a possibility to do this.
doi_str_mv	10.15407/pge2016.04.068
first_indexed	2026-03-24T02:02:19Z
format	Article
fulltext	68 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 4 (47) УДК 536.524 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, проф., Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна ВИКОРИСТАННЯ ЕНТАЛЬПІЇ ОХОЛОДЖЕННЯ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ТЕПЛОВИХ УСТАНОВОК МЕТОДОМ ТЕРМОХІМІЧНОЇ РЕГЕНЕРАЦІЇ (ТЕРМОХІМІЧНИЙ ЗАХИСТ) Розглядається нетрадиційний спосіб використання ентальпії охолодження високотемпе- ратурних елементів різноманітних теплових установок методом термохімічної регенера- ції. Побудовано спрощену математичну модель процесу. Показано, що при певних умо- вах вдається узгодити інтенсивність протікання двох явищ, на яких базується спосіб: кон- версію палива та теплообмін газового потоку зі стінкою і домогтись виконання енерге- тичного балансу. К л ю ч о в і с л о в а: високотемпературні елементи, термохімічний захист, конверсія палива, теплообмін, енергетичний баланс, математична модель. Вступ. Основні незворотні втрати енергії палива пов’язані з ентальпією відпрацьова- них газів, що скидаються в атмосферу, та охо- лодженням високотемпературних елементів теплових установок. Що стосується відпра- цьованих газів, то їх теплота може бути ефек- тивно використана шляхом термохімічної регенерації – конверсії вихідного палива з відповідним реагентом, наприклад, продук- тами згоряння [1, 2]. Для зменшення втрат енергії при охолодженні високотемператур- них елементів різноманітних теплових уста- новок звичайно використовуються теплоізо- ляційні матеріали, але їх жароміцність обме- жена, і, крім того, такий шлях не дозволяє помітно економити енергію. Принципово інший спосіб боротьби із втратами теплоти – це варіант методу термохімічної регенерації, пристосований до вказаної задачі (будемо називати цей варіант термохімічним захи- стом (ТХЗ)). Для побудови схем ТХЗ, його розрахунку та оптимізації треба перш за все розробити коректну математичну модель. Наскільки нам відомо, єдина спроба створити таку модель була здійснена в Інституті технічної теплофізи- ки (ІТТФ) НАН України [1], але, на жаль, модель ІТТФ містить кілька грубих помилок (дивно, як у серйозній та цікавій книзі [1] з’явились такі помилки). Спочатку розглянемо модель [1] більш детально (рис. 1). Аналіз моделі ІТТФ. Теплові потоки і, отже, температурне поле вважаються стаціонарними, стінка – плоскою, а задача – одновимірною. Тоді у випадку використання термоізоляційної вставки різниця температур між внутрішнім та зовнішнім боками стінки на рис. 1,а дорівнює θa – θd = Q (δ1/λ1 + δ2/λ2 + δ3/λ3), (1) де θj – температура стінки у точці j, j = a – d; Q – тепловий потік, що падає на стінку; δі – товщина шару і; λі – коефіцієнт його тепло- провідності. © О.А. ШРАЙБЕР, 2016 ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ 69ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 4 (47) Використання ентальпії охолодження високотемпературних елементів теплових установок методом термохімічної регенерації (термохімічний захист) Далі, якщо замість вставки δ2 охолоджувати стінку сумішшю вихідного палива та реагенту (рис. 1,б), то кількість теплоти, що можна зеко- номити, згідно з моделлю [1] буде Qr = cG (θ°b – θ°c), (2) де G – масова витрата охолоджувача; c – його питома теплоємність; θ°b та ін. – нові темпера- тури стінки. Тоді, враховуючи, що тепловий потік через третій шар зменшиться на Qr, і обчислюючи перепад температур через стінку на основі (1), (2), маємо θ°a – θ°d = Q (δ1/λ1 + δ3/λ3) – – Qr (δ3/λ3 – 1/(cG)). (3) Нарешті, згідно з [1] різниця між (3) та (1), тобто зниження температури «гарячого» боку стінки становить θa – θ°a = Q δ2/λ2 – Qr (G/c – δ3/λ3). (4) В [1] стверджується, що формула (4) свід- чить про зниження температури гарячого боку стінки у випадку ТХЗ у порівнянні зі вставкою. Тепер про помилки в (1) – (4). а) В моделі не наведено розмірність вели- чин, тому її треба обчислити. Зокрема, судячи з (1), Q – це питомий тепловий потік (кВт/м2); мабуть, Qr має ту ж розмірність. Тоді розмір- ність G, як випливає із (2), має бути кг/(м2·с), тобто це питома витрата. б) Основна помилка – тепловий потік Qr не має нічого спільного із різницею температур стінки θ°b – θ°c (див. (2)), тут можна було б взяти щось типу Т'' – T' (див. рис. 1,б), але питомі потоки Qr і G віднесені до різних площ (стінки і поперечного перерізу каналу для газо- вої суміші), отже, ідея пов’язати ці величини некоректна в принципі. в) Оскільки вже з’ясовано, що формула (2) хибна, помилкові також ті компоненти співвід- ношень (3) та (4), що випливають із (2). г) Ще помилка у (4): перший член виразу в дужках тут має вигляд G/c замість правильного 1/(cG), як в (3). д) Якщо у каналі рухається газова суміш, що не реагує, тоді тепловий потік Qr дійсно можна пов’язати з її температурами, але ж тут мається на увазі термохімічний захист, тобто замість c(Т'' – T') слід взяти різницю повних ентальпій реагуючої газової суміші на вході і виході з каналу K'' – K' (тут K = I + J; I – ентальпія; J – калорійність). е) У формули (4) є ще один недолік: у лівій частині пропущено різницю θd – θ°d, яка зовсім не обов’язково дорівнює нулю. є) І останнє: із (4) ніяким чином не випли- ває, що у загальному випадку θa < θ°a. Отже, для розрахунку ТХЗ не можна кори- стуватися моделлю [1], і треба побудувати більш коректну модель установки із термохі- мічним захистом. Нова модель ТХЗ. Як випливає з рис. 1,а, ТХЗ пов’язаний із двома окремими явищами, які дуже слабо впливають одне на одного: кон- Рис. 1. Тепловий потік через стінку: а – із термоізоляційною вставкою; б – із ТХЗ а б версією вихідного палива з тим чи іншим реагентом за рахунок теплоти Qr та теплообмі- ном газового потоку зі стінкою. Мета побудови нової моделі ТХЗ полягає у тому, щоб узгодити інтенсивність згаданих явищ та домогтись виконання енергетичного балансу (заздалегідь далеко не очевидно, що це можна зробити). Як паливо розглядаємо природний газ і для спро- щення вважаємо, що він складається із чистого метану, а реагентом є продукти його стехіомет- ричного згоряння у повітрі. Орієнтуючись на п. б) попереднього підроз- ділу, приходимо до висновку, що будувати модель ТХЗ у питомих величинах дуже склад- но, якщо взагалі можливо. Тому доводиться розглядати всю теплову установку, і тут вже дефініція величин змінюється: Q – це повний тепловий потік, що падає зліва на стінку, що розглядається, а G – масова витрата всієї реа- гуючої газової суміші (крім того, тут слід задати її мольний склад x'j, j = 1 – 7, що відповідає речовинам СН4, N2, Н2, СО2, СО, Н2О, О2, причому на вході для зручності x1 = 1). Для визначеності розглядаємо плоску стінку у виг- ляді прямокутника шириною W і висотою H. Крім Q та G, задаються такі основні величи- ни: – вхідна температура реагуючої газової сумі- ші T'; – вихідна температура конвертованого палива T''; – склад конвертованого палива x''j, а також його ентальпія І'', калорійність J'' та повна ентальпія K'' на 1 кмоль СН4 на вході (ці величини при відомих температурі T'' і тиску знаходяться за програмою EQCO4, створеною автором раніше [2]); – температура стінок, що омиваються газо- вим потоком, θ°b та θ°c; – витрата реагуючої газової суміші М у кіло- молях метану на вході за одиницю часу; – товщини шарів δ1 – δ3 та їх теплопровід- ність; – знайдені раніше коефіцієнти для квадра- тичної апроксимації мольної теплоємності с, динамічної в’язкості μ і теплопровідності λ компонентів газової суміші (див. вище). Наводимо послідовність основних розра- хунків у новій моделі. Перш за все обчислю- ються ентальпія реагуючої газової суміші: І' = cm x'm (T' – Tref), (5) де Tref = 298 К – температура, від якої відрахо- вується ентальпія, та енергія Qr (кВт), яку можна регенерувати за одиницю часу: Qr = М (K'' – K'). (6) Далі знаходяться середня температура газів, їх густина ρ, масова витрата кожної речовини Gj = M xmj zj, (7) де zj – молекулярна маса речовини j; xm – середні значення x по довжині потоку, та їх сума G. Наступним кроком є визначення середньої швидкості газів: u = G/ W δ2 ρ, (8) та чисел Рейнольдса і Нуссельта Re = Huρ/μ; Nu = 0,0296 Re0,8. (9) Тепер можемо обчислити коефіцієнт тепло- віддачі від гарячої стінки до газів α1 = Nu λ /H (10) і відповідний потік енергії Qh = α1 (θ°b – Tm) HW, (11) де Tm – середня температура газів. Відзначимо, що тепловіддача при омиванні плоскої поверхні обчислюється за температу- рою потоку газів. Тому коефіцієнт тепловіддачі від газів до холодної стінки α2 = α1, і потік енергії через неї Qe = α2 (Tm – θ°c) HW. (12) Приклад числових результатів. Відповід- но до описаної моделі було створено про- граму TCP1 (thermochemical protection). Розглянемо типовий варіант розрахунку (номер 1, іменуємо його базовим). Тут при- ймалося T' = 300 К; T'' = 1000 К; коефіцієнти надлишку повітря при спалюванні та над- лишку реагенту при конверсії α = β = 1. У табл. 1 наводиться склад газової суміші на вході в канал (x'j, кмоль/кмоль СН4) та на виході з нього (x''j). 70 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 4 (47) О.А. ШРАЙБЕР 71ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 4 (47) Використання ентальпії охолодження високотемпературних елементів теплових установок методом термохімічної регенерації (термохімічний захист) Тут реакції конверсії охоплюють майже 85% метану, і витрати СО2 та Н2О зменшуються у 5–7 разів. Ентальпія конвертованого палива становить І'' = 1,356·105 кДж/кмоль СН4, його калорійність J'' = 0,9876·106 кДж/кмоль СН4 (на 18,7% більше, ніж калорійність метану) та повна ентальпія K'' = 1,1232⋅106 Дж/кмоль СН4 (відзначимо, що тут і далі мається на увазі 1 кмоль СН4 у початковій газовій суміші). Крім того, задаються геометричні харак- теристики об’єкта δ2 = 3⋅10–3 м, W = H = 1 м, температури гарячої (θ°b = 1300 К) і холодної (θ°c = 330 К) стінки, а також витра- та газової суміші М = 10–4 кмоль СН4/с. Наводимо деякі результати розрахунку цього варіанта: Таблиця 1 – Склад газової суміші Видно, що вихідні дані задані невдало: тут Qr > Q, тобто конверсія метану в принципі може зекономити таку кількість енергії, що перевищує тепловий потік від стінки до газової суміші (Qh = Q). Тому розглянемо варіант 2, який відріз- няється від базового тим, що задано вдвічі менші значення δ2 та М. При цьому зміню- ються тільки дві величини: витрата реагую- чої газової суміші та ширина каналу, але швидкість газу та інтенсивність теплообмі- ну (а також Q) залишаються незмінними. Для цього варіанта Q = 30,47 кВт; Qr = = 16,05 кВт, але Qe = 15,0 кВт, тобто такий режим порушує баланс енергії. Найпрості- ший шлях до виконання балансу – це відпо- відне підвищення температури θ°c: якщо вона дорівнює 342 К, тоді маємо Qe = = 14,44 кВт (варіант 3), тобто умова балансу задовольняється. Слід відзначити, що такий шлях не завжди прийнятний, оскільки у багатьох випадках накладаються обмеження на температуру зов- нішньої стінки високотемпературних об’єктів (θ°d у нашому випадку). Інколи є можливість обійти ці обмеження, додавши до об’єкта ще один невеликий зовнішній шар теплоізоляцій- ного матеріалу. Розглянемо інші можливості коректування членів рівняння енергобалансу високотемпе- ратурних об’єктів. У варіанті 4 замість квадрат- ної розглянуто прямокутну стінку з W = 0,5 м; H = 2 м (тут δ2 =0,003 м; всі інші вихідні дані такі самі, як раніше), а у варіанті 5 – додатково T'' = 950 К (замість 1000 К). В останньому випадку склад конвертованого палива такий: Результати розрахунків цих варіантів наве- дено у табл. 2. По-перше, звертає на себе увагу зниження інтенсивності тепловіддачі завдяки новій гео- метрії стінки. Крім того, небаланс (ΔQ ≡ Qr + + Qe – Q) має різні знаки: ΔQ = 2,09 кВт у варі- анті 4, але ΔQ = – 0,78 кВт у варіанті 5. Якщо залежність ΔQ(T'') апроксимувати лінійною функцією, то \|ΔQ\| повинно бути близьким до 0 при T'' = 964 К (варіант 6). Склад конвертова- ного палива та параметри варіанта 6 наводяться нижче: Дійсно, нова температура конверсії дає ΔQ = 0,02 кВт (практично баланс). Поряд із цим варіантом розглянемо ще одну можли- вість забезпечення балансу енергії – одночас- ну пропорційну зміну М та δ2, що дозволяє зберегти швидкість газу (і, отже Q та Qe) та змінити тільки теплоту конверсії. Для умов варіанта 4 тут приймається δ2 = 0,00261 м; М = 0,436·10–4 кмоль СН4/с (варіант 7), і в результаті Qr = 13,99 кВт; ΔQ = 0,02 кВт. Для умов варіанта 5 із T'' = 950 К; δ2 = 0,00316 м; М = 0,526·10–4 кмоль СН4/с (варіант 8) маємо Qr = 15,02 кВт; ΔQ = 0. Взагалі, при коректу- ванні вихідних даних слід міняти ті величини, які призведуть до зміни тільки однієї статті балансу. Таким чином, наведені приклади свідчать про те, що при певних вихідних даних простими способами вдається забезпечити виконання умови балансу енергії у системі ТХЗ, але так буде не завжди. Величину Qr можна змінювати у дуже широких межах, змінюючи витрату реа- гуючої газової суміші. Тому здавалося б, що баланс досяжний завжди. Але, як показує роз- роблена модель, обмеження тут пов’язане з недостатньою інтенсивністю тепловіддачі від гарячої стінки до газу. Для її збільшення можли- ві такі заходи: підвищення різниці температур, збільшення швидкості газу, використання про- фільованих або оребрених поверхонь і т.д. Тим не менше цілком імовірні ситуації, коли узгоди- ти різні процеси у системі ТХЗ не вдасться. 72 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2016, вип. 4 (47) О.А. ШРАЙБЕР Таблиця 2 – Параметри варіантів 4 і 5 ВИСНОВКИ Значна частина енергії палива витрачається на охолодження високотемпературних елемен- тів різноманітних теплових установок. Традиційний спосіб охолодження пов’язаний із використанням теплоізоляційних матеріалів, але він має істотні недоліки. Принципово від- мінний спосіб – це технологія термохімічної регенерації, пристосована для задачі, що роз- глядається (термохімічний захист). Відома модель такої системи містить серйозні помил- ки, і тому розроблено нову, більш коректну модель, що базується на розрахунку конверсії вихідного палива та теплообміну реагуючої газової суміші зі стінкою. Оскільки ці процеси дуже слабо впливають один на одного, треба узгодити їх інтенсивність і, таким чином, домогтись виконання умови енергетичного балансу. Представлено приклади розрахунків, що відкривають можливість це зробити. 1. Носач В.Г. Энергия топлива / В.Г. Носач. – К.: Наукова думка, 1989. – 148 с. 2. Шрайбер О.А. Використання теплових вто- ринних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Розрахунок конверсії палива / О.А. Шрайбер // Проблеми загальної енергети- ки. – 2013. – № 2(33). – С. 39–42. Надійшла до редколегії: 20.10.2016.
id	systemreorg-article-588
institution	System Research in Energy
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:18:54Z
publishDate	2016
publisher	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	systemreorg/d4/939ecc9073ae85903874e0daa76a36d4.pdf
spelling	systemreorg-article-5882026-07-18T12:57:42Z Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection) Використання ентальпії охолодження високотемпературних елементів теплових установок методом термохімічної регенерації (термохімічний захист) Shraiber O.A. high-temperature elements, thermochemical protection, fuel reforming, heat transfer, energy balance, mathematical model. високотемпературні елементи, термохімічний захист, конверсія палива, теплообмін, енергетичній баланс, математична модель. The traditional method of the high-temperature elements of different thermal plants, connected with the use of heat-insulating materials, has substantial Shortcomings because a significant part of fuel energy is spent for cooling. A different, in principle, method is here connected with the technology of thermochemical recuperation adapted to the problem under consideration (thermochemical protection). The known model of such system has serious mistakes, and, hence, we have developed a more correct model, based on the calculation of fuel reforming and heat transfer of the reacting gas mixture with the wall. It is necessary to conform the intensities of these processes and, in such a way, to satisfy the conditions of energy balance. We present examples of calculations that open a possibility to do this. Традиційний спосіб охолодження високотемпературних елементів різноманітних теплових установок, пов’язаний із використанням теплоізоляційних матеріалів, має істотні недоліки, тому що на охолодження витрачається значна частина енергії палива. Принципово відмінний спосіб – це технологія термохімічної регенерації, пристосована до задачі, що розглядається (термохімічний захист). Відома модель такої системи містить серйозні помилки, і тому розроблено більш коректну модель, що базується на розрахунку конверсії палива та теплообміну реагуючої базової суміші зі стінкою. Треба узгодити інтенсивність цих процесів і, таким чином, виконати умови енергетичного балансу. Представлено приклади розрахунків, що відкривають можливість це зробити. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2016-11-24 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/588 10.15407/pge2016.04.068 System Research in Energy; No. 4 (47) (2016): The Problems of General Energy; 68-72 Системні дослідження в енергетиці; № 4 (47) (2016): Проблеми загальної енергетики; 68-72 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/588/515 Copyright (c) 2016 Shraiber O.A. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0
spellingShingle	high-temperature elements thermochemical protection fuel reforming heat transfer energy balance mathematical model. Shraiber O.A. Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title	Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title_alt	Використання ентальпії охолодження високотемпературних елементів теплових установок методом термохімічної регенерації (термохімічний захист)
title_full	Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title_fullStr	Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title_full_unstemmed	Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title_short	Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
title_sort	using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)
topic	high-temperature elements thermochemical protection fuel reforming heat transfer energy balance mathematical model.
topic_facet	high-temperature elements thermochemical protection fuel reforming heat transfer energy balance mathematical model. високотемпературні елементи термохімічний захист конверсія палива теплообмін енергетичній баланс математична модель.
url	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/588
work_keys_str_mv	AT shraiberoa usingtheenthalpyofcoolingofthehightemperatureelementsofthermalplantsbythemethodofthermochemicalrecuperationthermochemicalprotection AT shraiberoa vikoristannâentalʹpííoholodžennâvisokotemperaturnihelementívteplovihustanovokmetodomtermohímíčnoíregeneracíítermohímíčnijzahist

Using the enthalpy of cooling of the high-temperature elements of thermal plants by the method of thermochemical recuperation (thermochemical protection)

Репозитарії

Схожі ресурси