Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines
On the example of gas-turbine plants, we have considered the principal and constructive schemes of thermochemical recuperation for the utilization of secondary energy resources, namely, the enthalpy of exhaust gases. We have developed methods of the calculation of thermodynamic and heat-transfer cha...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/677 |
| 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_ | 1871104193683521536 |
|---|---|
| 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 | 2026-07-18T12:57:44Z |
| description | On the example of gas-turbine plants, we have considered the principal and constructive schemes of thermochemical recuperation for the utilization of secondary energy resources, namely, the enthalpy of exhaust gases. We have developed methods of the calculation of thermodynamic and heat-transfer characteristics of these schemes. We have carried out wide numerical investigations of the technical-and-economical parameters of schemes of thermochemical recuperation and determined their dependences on temperature conditions. We have established that the pay-back period is usually equal to several months, and, hence, thermochemical recuperation is a high-efficiency variant of the utilization of secondary energy resources. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2018.03.048 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
48
О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
У різних галузях народного господарства
розповсюджені теплові установки, що працю-
ють на природному газі і характеризуються до-
сить низьким коефіцієнтом використання пали-
ва. При цьому значна кількість енергії втрача-
ється з відпрацьованими газами, які у багатьох
випадках мають досить високу температуру, але
викидаються в середовище. Традиційний метод
утилізації вказаних вторинних енергоресурсів
(ВЕР) полягає у використанні повітряної реге-
нерації, проте цей метод має істотні недоліки:
по-перше, таким чином вдається використати
далеко не всю фізичну теплоту відпрацьованих
газів; по-друге, нагрівання повітря призводить
до збільшення емісії NOx; по-третє, є установ-
ки, наприклад, двигуни внутрішнього згоряння,
де такий варіант взагалі неприйнятний, оскіль-
ки призводить до пропорційного зниження по-
тужності двигуна.
Цих недоліків позбавлений принципово від-
мінний метод використання теплових ВЕР – ме-
тод термохімічної регенерації (ТХР), який базу-
ється на ендотермічній реакції вихідного палива
(для спрощення вважаємо, що воно складається
із чистого метану) з відповідним окислювачем
за рахунок ентальпії відпрацьованих газів. Най-
більш просто використати як реагент продукти
згоряння:
CH4 + (CO2 + 2H2O + 7,52N2 )/3 →
→ (4CO + 8H2 + 7,52N2 )/3.
Якщо калорійність метану дорівнює Q1 =
802 МДж/кмоль, то калорійність нового палива
вже становить Q2 = 1022 МДж/кмоль CH4, тобто
Q2 / Q1 = 1,27, і при його згорянні виділиться на
27% більше теплоти, ніж при спалюванні метану.
Свого часу в Інституті загальної енергетики НАН
України було виконано широкі термодинамічні
дослідження схем ТХР стосовно до різноманітних
теплоенергетичних та теплотехнологічних уста-
новок [1–5]. Було показано, що у реальних умовах
зазначена реакція іде не до кінця, реагує тільки
частина метану, проте метод ТХР все ж дозволить
зекономити до 10–15% (або навіть більше) при-
родного газу.
Але із цього зовсім не випливає висока еконо-
мічна ефективність таких заходів із використан-
ня ВЕР, тому що треба обладнати установку, яка
розглядається, реактором-теплообмінником, де
реалізується реакція конверсії, і комунікаціями,
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ
ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Print). The problems of general energy, 2018, 3(54): 48–53
doi: https://doi.org/10.15407/pge2018.03.048
УДК 536.7 О.А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук, проф.
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
ВИЗНАЧЕННЯ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ СХЕМ
ТЕРМОХІМІЧНОЇ РЕГЕНЕРАЦІЇ ДЛЯ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ
На прикладі газотурбінних установок розглянуто принципові та конструктивні схе-
ми термохімічної регенерації для використання вторинних енергоресурсів – ен-
тальпії відпрацьованих газів. Розроблено методи розрахунку термодинамічних
та теплообмінних характеристик вказаних схем. Проведено числові дослідження
техніко-економічних параметрів схем термохімічної регенерації та визначено їх
залежності від температурного режиму. Встановлено, що термін окупності схем
порядку кількох місяців, отже, термохімічна регенерація є дуже ефективним варі-
антом використання вторинних енергоресурсів.
К л ю ч о в і с л о в а : термохімічна регенерація, конверсія, газотурбінна установ-
ка, теплообмін, техніко-економічні характеристики, термін окупності.
© О.А. ШРАЙБЕР, 2018
49
Визначення економічної ефективності схем термохімічної регенерації для теплових двигунів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
отже, зробити певні капіталовкладення K. Не-
хай експлуатаційні витрати на роботу установки
без ТХР дорівнюють W0, а після реалізації вка-
заних заходів – W. Тоді термін окупності енер-
гозаощаджуючих заходів буде τ = K /(W0 – W), і
такі заходи слід вважати доцільними, якщо τ ≤ τn,
де τn – певний «нормативний» термін окупнос-
ті, пов’язаний зі станом економіки країни або її
окремої галузі.
Отже, для обчислення τ треба спочатку по-
будувати принципову та конструктивну схеми
ТХР-установки, розрахувати її термодинамічні
показники, обчислити параметри такої установки
без використання ВЕР, а також знайти характерис-
тики реактора-теплообмінника та комунікацій і,
нарешті, розрахувати значення K i τ. Нижче наво-
дяться результати таких розрахунків на прикладі
ТХР-схем для газотурбінної установки (ГТУ).
Як відомо, традиційні ГТУ не можуть за-
безпечити значну економію палива за раху-
нок ТХР через два моменти: невисокі темпе-
ратури відпрацьованих газів за турбіною та
великі коефіцієнти надлишку повітря (α ~ 3
і більше), що призводить до істотного зни-
ження ступеня конверсії. Дію цих факторів
можна подолати за рахунок таких заходів: (а)
термохімічний реактор розташовується не за
турбіною, а між циліндрами високого і низько-
го тиску – в розсічку; (б) приймаємо α = 1, але
для зниження температури продуктів згоряння
(ПЗ) перед турбіною певна частина охолоджених
ПЗ (баласт) подається у камеру згоряння.
Рисунок 1. Схема G1 газотурбінної
установки з ТХР:
1 – циліндр низького тиску; 2 – холодильник;
3 – компресор для ПЗ; 4 – повітряний компресор;
5 – циліндр високого тиску; 6 – змішувач;
7 – реактор-теплообмінник; 8 – камера згоряння
Схема найбільш простої газотурбінної уста-
новки з ТХР, що враховує згадані заходи, наве-
дена на рис. 1 (тут характерні точки позначені
літерами у кружечках). Після розширення ПЗ у
циліндрі 1 відповідна частина їх скидається в се-
редовище, а залишок стискується в компресорі
3 до початкового тиску рc. Далі потік ПЗ розді-
ляється на дві частини, і перша з них відповідає
стехіометричній (СО2 + 2Н2О + 7,52N2)/3 або над-
стехіометричній β(СО2+ 2Н2О + 7,52N2)/3 (β > 1)
кількості реагенту в реакції конверсії. Другий по-
тік ПЗ (його склад – β°(СО2 + 2Н2О + 7,52N2)/3)
надходить до камери 8. Коефіцієнт β° обирається
так, щоб температура ПЗ перед циліндром 5 до-
рівнювала заданому значенню Tc.
Комплект вихідних даних для розрахунку схе-
ми G1 складається з таких величин: pc, Ta, Tc, Tg,
Ti, Tk, хkі, Jk, ε1 та ε2 (тут хkі – це склад конвертова-
ного палива в точці k (і – номер речовини, i = 1–7
відповідає СН4, N2, Н2, СО2, СО, Н2О та О2);
J = I +Q – повна ентальпія; I ентальпія; ε1 та ε2 –
внутрішній ККД турбін і компресорів відповідно).
Вважається, що будь-яка газова суміш є ідеальним
газом. Розрахунок складається із шести блоків. У
першому з них обчислюються параметри роботи
компресора 4 (розглядається стехіометрична ре-
акція горіння, тобто х2 = 7,52; х7 = 2; інші хі = 0,
хоч це не принципово). Ключовим моментом тут
є визначення середньої теплоємності С (при по-
стійному тиску) газової суміші в інтервалі темпе-
ратур від вхідної до вихідної, яка обчислюється як
відношення між різницею ентальпій та різницею
температур між точками b та a на рис. 1. Це дозво-
ляє знайти показник степеня m = Ru /C у відомому
рівнянні для адіабатного процесу
T/T* = (p/p*)m (m=(γ –1)/γ), (1)
де Ru – універсальна газова стала. Зрозуміло, що
на початку обчислень температура на виході з
компресора невідома, і тому тут будується ітера-
ційний процес: спочатку задається якесь значен-
ня Tb, знаходиться відповідна теплоємність С, з
формул, подібних до (1), обчислюється невідома
температура у наступному наближенні і т.д. Після
того, як ці ітерації зійшлися, уточнюються значен-
ня вказаних величин з урахуванням внутрішнього
ККД компресора ε2.
Другий блок присвячено розрахунку газової
турбіни 5 (рис. 1). Тут температура Тс відома, і
треба знайти параметри робочого тіла в точці d.
Вся послідовність обчислень подібна до викладе-
ної вище з тією тільки різницею, що витрата ро-
бочого тіла через циліндр 5 заздалегідь невідома
(як невідома і величина β°). Тому для точок c і d
обчислюємо питому ентальпію і (тобто енталь-
пію «стандартного» набору продуктів згоряння
СО2 + 2 Н2О + 7,52N2).
Компресор для ПЗ розраховується таким же
чином, і знаходяться параметри в точці h. На-
50
О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
ступний блок пов’язаний із розрахунком те-
плового балансу камери згоряння 8 (рис. 1), що
дозволяє визначити β° і, отже, витрати суміші
газів у точках h, c, d. У п’ятому блоці розрахо-
вується тепловий баланс реактора 7. Далі треба
перевірити, чи задовольняють знайдені темпе-
ратури очевидним умовам на холодному і гаря-
чому кінцях реактора 7:
Te – Tm > Δ T1; Td – Tk > Δ T2 , (2)
де Δ T1 та Δ T2 – задані мінімальні перепади темпе-
ратур. Якщо умови (2) не виконуються, слід змі-
нити значення деяких вхідних величин і повтори-
ти розрахунки.
Для коректного порівняння варіантів розрахун-
ку треба якимось чином обмежити вибір вихідних
температур, незважаючи на виконання умов (2).
Аналіз свідчить, що у широкому діапазоні ре-
жимів перша різниця температур у (2) набагато
більше другої, отже остання є «критичною». Тому
слід її зафіксувати на певному рівні, наприклад,
ΔT2 = 20 К.
Як показали розрахунки, схема G1 характе-
ризується досить низькими показниками (її ККД
η = 48–50%). Тому було також досліджено осо-
бливості роботи найбільш досконалої схеми G4
[1, 4]. Вона відрізняється від схеми G1 тим, що
у реакторі-теплообміннику додатково нагрівають-
ся повітря, що використовується для спалювання,
та баласт, який скидається у камеру згоряння для
зниження температури робочого тіла. Як показано
в [4], при оптимальних умовах ця схема забезпе-
чує дуже високу ефективність використання па-
лива – майже 60%.
Далі, треба також розрахувати відповідну
установку без використання ВЕР (рис. 2). Зви-
чайно, тут, на відміну від схем, розглянутих
раніше, немає потреби замінювати надлишок
повітря подачею ПЗ як баласту до камери зго-
ряння. Задаються тиск перед турбіною, а та-
кож температури у точках n, q, та s (як і рані-
ше, літери у кружечках відповідають точкам
на рисунку). Спочатку ітераційним методом
(див. вище) розраховується компресор, і об-
числюється температура Tp. Далі на основі
очевидного рівняння теплового балансу каме-
ри згоряння знаходиться коефіцієнт надлиш-
ку повітря α (що забезпечує потрібний рівень
Tq), та розраховується газова турбіна. Деякі
результати розрахунків схеми буде наведено
нижче.
Що стосується конструктивної схеми реак-
тора-теплообмінника, мабуть, найбільш зруч-
ний варіант – це певний аналог конвективних
поверхонь нагрівання енергетичних котлів,
тобто кожухотрубний теплообмінник із шахо-
вим розташуванням труб, де в трубах рухається
реагуюча газова суміш, а у міжтрубному про-
сторі – теплоносій (відпрацьовані продукти
згоряння), і реалізується перехресний рух цих
речовин.
Рисунок 2. Схема ГТУ без використання ВЕР:
1 – повітряний компресор;
2 – камера згоряння; 3 – газова турбіна
Вихідні дані для розрахунку такі: температу-
ри реагуючої суміші на вході в реактор Tm і кон-
вертованого палива на виході із нього Tk , темпе-
ратури теплоносія перед реактором Td та після
нього Te, тиск у трубах та міжтрубному просторі,
параметри функцій для обчислення середнього
температурного напору в реакторі, геометрич-
ні характеристики пакета труб, компонентний
склад обох теплоносіїв, їх швидкості та фізичні
властивості, ККД ТХР-схеми та схеми без вико-
ристання ВЕР, а також потужність теплової уста-
новки, кількість теплоти, яку треба передати у
реакторі, ціни природного газу та матеріалу для
виготовлення реакторів.
Спочатку визначаємо середній температурний
напір у реакторі. У випадку протитечії він дорівнює
-
ln
c h
p
c h
T TT
T T
,
(3)
де ΔTh = Td – Tk – температурний напір на гарячо-
му «кінці» установки; ΔTс = Te – Tm – те ж на хо-
лодному кінці. Далі, при перехресному русі ре-
човин слід додати у праву частину (3) множник
Ψ<1. На жаль, значення Ψ наводяться в літерату-
рі (навіть у класичному підручнику В.П. Ісаченка
та ін. [6]) у вигляді графіків Ψ = Ψ (P), де
P = (Tk – Tm)/(Td – Tm), для різних значень па-
раметра R = (Td – Te)/(Tk – Tm), що істотно
ускладнює комп’ютерні розрахунки. Тому для
шести реальних значень параметра R (0,2; 0,4;
0,6; 0,8; 1,0 та 1,5) було побудовано необхідні
апроксимаційні формули. Оскільки залежності
Ψ = Ψ (P) досить складні, кожна із них була
розділена на дві ділянки, причому для лівої
51
Визначення економічної ефективності схем термохімічної регенерації для теплових двигунів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
(Ψ з індексом l) було підібрано лінійну апрок-
симацію, а для правої (індекс r) – степеневу:
Ψlj = Aj – BjP; Ψrj = Dj – Sj (P – 0,5)n, (4)
де j = 1 – 6 – номер значення R. Тут перша форму-
ла (4) працює в діапазоні 0,5 ≤ Р ≤ Uj, а друга – при
Uj < P ≤ Vj (якщо P > Vj, беремо Ψ = 0,5). Значення
величин Aj, Bj, Dj, Sj, nj, Uj, Vj наведено в табл. 1.
Наступний крок пов’язаний із визначенням ко-
ефіцієнта теплопередачі. Тут немає сенсу будува-
ти якусь складну модель, оскільки є досить точні
узагальнюючі емпіричні формули для інтенсив-
ності конвективного та радіаційного αrad теплооб-
міну при поперечному обтіканні труб та течії все-
редині труби [5–7]. Наведемо як приклад формулу
для обчислення αrad
3
α 0,0285(1+ )
1000
rad ex
ex w
Ta a
3,6
2
1-( / ) кВт .
1 - м К
ex
ex
T
T
(5)
Тут θ – температура стінки труби; аw – її сту-
пінь чорноти; а – ступінь чорноти потоку газів;
Тех – середня температура теплоносія. Температу-
ра стінки визначається із «закону Ома» для тепло-
вого потоку:
θ = Тех – q/(αexF), (6)
де q – загальний тепловий потік в апараті (кВт);
αex – сумарний коефіцієнт тепловіддачі від тепло-
носія; F – площа теплообмінної поверхні (обчис-
люється по середньому діаметру труб). Із наведе-
них формул видно, що αex і θ пов’язані між собою,
причому αex є сильно нелінійною функцією θ, і
розв’язати аналітично систему (5), (6) неможливо.
Тому тут будується ітераційний процес: задається
початкове значення θ, обчислюються характерис-
тики теплообміну, за формулою (6) знаходиться
нове значення θ і т. д.
Для розрахунків необхідно знати теплофізичні
властивості речовин, із яких складаються вихід-
не паливо, окислювач, продукти згоряння та кон-
вертоване паливо, – разом сім речовин, k = 1 – 7,
див. вище. Для коефіцієнта теплопровідності цих
речовин λ∙106 (кВт/(м К)) було побудовано такі
апроксимуючі формули (Т в К):
λ∙106 = А + Вυ + Gυ2; υ = (T – 273)/100. (7)
По аналогії було побудовано подібні форму-
ли для динамічної в’язкості газових компонентів
μ∙106(Па с).
Далі стисло про послідовність розрахунків
(для визначеності орієнтуємось на схему на
рис. 1). Тут задаються такі термодинамічні по-
казники: pb, pd, Ta, Tc, Tg, Ti, Tk, ε1, ε2 та β. Крім
того, слід задати швидкості обох теплоносіїв
(це потрібно для обчислення коефіцієнтів те-
пловіддачі), діаметр труб, кроки між ними, по-
чаткове значення температури стінки та потуж-
ність установки.
Розрахунок складається із чотирьох блоків.
Перший із них присвячено визначенню кількості
теплоти q, яку потрібно передати у реакторі-те-
плообміннику, та корисної роботи схеми. У дру-
гому блоці розраховується інтенсивність тепло-
обміну в реакторі (спочатку знаходяться фізичні
властивості обох середовищ). У третьому блоці
визначається середній температурний напір для
випадку протитечії (див. (3)), а далі – множник
Ψ (див. (4)) і необхідна площа теплообмінної по-
верхні. У заключному блоці обчислюються маса
та вартість реактора-теплообмінника, витрати па-
лива при застосуванні ТХР і (для порівняння) без
неї, а також термін окупності капіталовкладень.
Описаний метод розрахунку реалізовано у про-
грамі CONST.
Згідно з викладеною методикою було прове-
дено числові дослідження техніко-економічних
характеристик різних ТХР-схем для ГТУ. В ре-
зультаті було встановлено, що капіталовкладен-
ня в ТХР-установку порівняно невеликі (осо-
Таблиця 1 – Коефіцієнти для Ψl та Ψr
j 1 2 3 4 5 6
Aj 1,06 1,153 1,233 1,31 1,36 1,37
Bj 0,15 0,367 0,567 0,76 0,9 1,8
Dj 0,985 0,97 0,95 0,93 0,91 0,8
Sj 12,21 4,54 4,409 2,424 2,823 6,837
nj 4,654 3,09 2,704 1,837 1,603 1,446
Uj 0,8 0,8 0,8 0,75 0,65 0,55
Vj 1,0 0,98 0,93 0,89 0,8 0,615
52
О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
Таблиця 2 – Залежність характеристик схеми G1 від Δ T2 та Tc
Номер
варiанта 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tc, K 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1500 1400 1300
Δ T2, K 20 40 60 100 150 250 20 20 20
Tm, K 619,5 619,5 619,5 619,5 619,5 619,5 619,5 619,5 619,5
Tk, K 1072,4 1052,4 1032,4 992,4 942,4 842,4 999 925,8 853
Td, K 1092,4 1092,4 1092,4 1092,4 1092,4 1092,4 1019 945,8 873
Te, K 916,6 927,3 938,4 960,1 981,7 1029,1 898,3 869,6 828,9
x1 0,526 0,569 0,612 0,692 0,78 0,899 0,679 0,803 0,89
x2 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507
x3 1,27 1,162 1,057 0,86 0,644 0,332 0,892 0,584 0,359
x4 0,181 0,203 0,225 0,269 0,316 0,363 0,261 0,328 0,361
x5 0,626 0,561 0,496 0,373 0,238 0,071 0,393 0,202 0,083
x6 0,345 0,366 0,386 0,423 0,464 0,536 0,417 0,476 0,528
η, % 50,85 50,47 50,09 49,35 48,66 47,26 48,94 47,06 45,16
β° 4,762 4,633 4,505 4,259 4,02 3,558 5,47 6,475 7,98
q 196,5 182 167,5 139,8 114,1 61,6 144,8 99,7 65,0
Δ T, K 58,6 89,3 119,2 173,1 221,1 306,2 61,6 63,3 61,8
Кth 0,119 0,118 0,117 0,116 0,115 0,112 0,116 0,113 0,11
F, м2 693 427 298 175,6 115,4 47,6 517 370 263
W 103,8 104,6 105,3 106,9 108,4 111,7 107,8 112,1 116,0
W0 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9
Δ W 13,1 12,3 11,6 10,0 8,5 5,2 9,1 4,74 0,9
K 4,61 2,84 1,98 1,17 0,77 0,32 3,44 2,46 1,75
τ, міс 4,22 2,76 2,06 1,41 1,1 0,73 4,56 6,22 23,4
Примітка: тут і нижче хі в кмоль/кмоль СН4; q в МДж/ кмоль СН4, Kth в кВт/(м2К), W, W0, Δ W в 106 грн/рік,
K в 106 грн.
Таблиця 3 – Залежність характеристик схеми G4 від тиску та різниці температур Δ T1
Номер варiанта 10 11 12 13 14 15 16
pс , МРa 1,5 2 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5
Δ T1, K 20 20 20 40 70 100 150
Tb, K 682,6 739,3 785,6 785,6 785,6 785,6 785,6
Tk, K 1010,2 1009,3 1008,4 993,5 968,7 945,0 904,0
Td, K 1130 1130 1130 1130 1130 1130 1130
Te, K 702,6 759,4 805,5 825,6 855,6 885,4 935,7
η, % 57,63 56,75 56,12 55,18 53,89 52,71 50,91
q 606,4 521,5 454,2 412,6 355,3 303,5 224,9
x1 0,578 0,625 0,660 0,689 0,735 0,775 0,833
x2 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507 2,507
x3 1,155 1,030 0,938 0,866 0,754 0,656 0,508
x4 0,222 0,239 0,251 0,267 0,292 0,313 0,342
x5 0,533 0,469 0,422 0,377 0,306 0,246 0,158
x6 0,355 0,386 0,409 0,422 0,443 0,461 0,492
Δ T, K 30,9 31,1 29,4 44,0 81,3 137,9 185,5
К th 0,092 0,104 0,115 0,114 0,114 0,113 0,112
F , м2 4633 3549 2991 1852 889 460 266
W 91,6 93,0 94,0 95,6 97,9 100,1 103,7
W0 131,6 121,3 116,9 116,9 116,9 116,9 116,9
Δ W 40,0 28,3 22,9 21,3 19,0 16,8 13,2
K 30,8 23,6 19,9 12,3 5,91 3,06 1,76
τ, міс 9,2 10,0 10,4 7,0 3,75 2,2 1,6
53
Визначення економічної ефективності схем термохімічної регенерації для теплових двигунів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2018, issue 3(54)
бливо якщо їх співставляти з можливою еконо-
мією палива), і тому термін окупності капіта-
ловкладень практично для всіх варіантів дуже
незначний – порядку кількох місяців (див. табл.
2, 3). Отже, розрахунки підтвердили, що і з еко-
номічної точки зору термохімічна регенерація є
дуже ефективним варіантом використання вто-
ринних енергоресурсів – ентальпії відпрацьова-
них газів.
Із фізичних міркувань випливає, що ККД
будь-якої ТХР-схеми для ГТУ повинен зростати
зі збільшенням температури Tk (отже, і ступеня
конверсії), але при цьому знизиться температу-
ра ПЗ Те після реактора-теплообмінника (треба
більше енергії на конверсію та можливий піді-
грів інших речовин). В результаті це може при-
звести до порушення другої нерівності (2) або
навіть до зміни її знака. З іншого боку, підвищен-
ня температури конверсії (і відповідно зниження
різниці температур на холодному кінці реактора)
призведе до істотного зниження середнього тем-
пературного напору і пропорційного зростання
поверхні теплообміну. У табл. 2 наведено техні-
ко-економічні характеристики схеми G1 для різ-
них ΔT2 (варіанти 1–6) при pc = 2,5 МПа. Напри-
клад, при ΔT2 = 100 К у порівнянні з ΔT2 = 20 К
кількість метану у конвертованому паливі під-
вищується від 0,526 кмоль/кмоль СН4 до 0,692
кмоль/кмоль СН4 , а вміст водню знижується від
1,27 кмоль/кмоль СН4 до 0,86 кмоль/кмоль СН4.
При цьому істотно зменшується економія палива,
але, на відміну від термодинамічних характерис-
тик схеми, економічні показники набагато кращі
– це пояснюється майже потрійним зростанням
середньої різниці температур між теплоносіями
та різким зменшенням потрібних капіталовкла-
день. Отже, цей результат є однією з ілюстрацій
протиріч між термодинамічними та економічни-
ми міркуваннями.
Наступний параметр – це температура робо-
чого тіла перед ЦВТ Tс (табл. 2, варіанти 1, 7–9),
з якою пов’язана температура конвертованого
палива. Доки температура конверсії перевищує
~ 900 К, економічні показники схеми непогані
(τ не більше півроку), але при Tk ~ 850 К кіль-
кість метану у КП сягає ~0,9, економія палива
різко спадає, і термін окупності наближується
до 2 років.
У табл. 3 представлено деякі характеристики
найбільш досконалої з термодинамічної точки
зору схеми G4 (де, на відміну від G1, критич-
ною є різниця температур ΔT1). В цілому ха-
рактер впливу початкових даних на економічні
параметри подібний до викладеного вище, але
при інших рівних умовах тут термін окупності
дещо більше. Це ще одна ілюстрація протиріч
між термодинамічними та економічними мірку-
ваннями.
ВИСНОВКИ
На прикладі газотурбінних установок розгля-
нуто принципові та конструктивні схеми термо-
хімічної регенерації для використання вторин-
них енергоресурсів – ентальпії відпрацьованих
газів. Розроблено методи розрахунку термоди-
намічних та теплообмінних характеристик вка-
заних схем. Проведено широкі числові дослі-
дження техніко-економічних параметрів схем
термохімічної регенерації та визначено їх за-
лежності від температурного режиму. Встанов-
лено, що термін окупності схем порядку кількох
місяців, отже, термохімічна регенерація є дуже
ефективним варіантом використання вторинних
енергоресурсів.
1. Шрайбер О.А. Використання теплових вто-
ринних енергоресурсів методом термохімічної
регенерації. Метод розрахунку газотурбінної
установки. Проблеми загальної енергетики. 2013.
№ 3(34). С. 47—51.
2. Шрайбер О.А. Використання теплових вто-
ринних енергоресурсів методом термохімічної
регенерації у двигуні внутрішнього згоряння.
Проблеми загальної енергетики. 2013. № 4(35).
С. 47—51.
3. Яценко В.П., Шрайбер О.А. Використання те-
плоти відпрацьованих газів промислових печей
методом термохімічної регенерації. Проблеми за-
гальної енергетики. 2014. № 1(36). С. 19–23.
4. Шрайбер О.А. Визначення оптимальних умов
реалізації процесу термохімічної регенерації.
для використання теплоти відпрацьованих газів
газотурбінної установки. Проблеми загальної
енергетики. 2015. № 3(42). С. 36—42. https://
doi.org/10.15407/pge2015.03.036
5. Шрайбер О.А., Антонець І.В. Метод розрахун-
ку динаміки процесу конверсії природного газу.
Проблеми загальної енергетики. 2017. № 2(49).
С. 65—74. https://doi.org/10.15407/pge2017.02.065
6. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Те-
плопередача. М.: Энергия, 1969. 440 с.
7. Кузнецов Н.В., Митор В.В., Дубовский И.Е.,
Карасина Э.С. (ред.). Тепловой расчет котельных
агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия,
1973. 296 с.
Надійшла до редколегії: 22.08.2018
|
| id | systemreorg-article-677 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:20:12Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/4e/91699c6940b81fa7739fe21bd5da2e4e.pdf |
| spelling | systemreorg-article-6772026-07-18T12:57:44Z Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines Визначення економічної ефективності схем термохімічної регенерації для теплових двигунів Shraiber O.A. thermochemical recuperation, reforming, gas-turbine plant, heat transfer, technical-and-economical characteristics, pay-back period. термохімічна регенерація, конверсія, газотурбінна установка, теплообмін, техніко-економічні характеристики, термін окупності. On the example of gas-turbine plants, we have considered the principal and constructive schemes of thermochemical recuperation for the utilization of secondary energy resources, namely, the enthalpy of exhaust gases. We have developed methods of the calculation of thermodynamic and heat-transfer characteristics of these schemes. We have carried out wide numerical investigations of the technical-and-economical parameters of schemes of thermochemical recuperation and determined their dependences on temperature conditions. We have established that the pay-back period is usually equal to several months, and, hence, thermochemical recuperation is a high-efficiency variant of the utilization of secondary energy resources. На прикладі газотурбінних установок розглянуто принципові та конструктивні схеми термохімічної регенерації для використання вторинних енергоресурсів – ентальпії відпрацьованих газів. Розроблено методи розрахунку термодинамічних та теплообмінних характеристик вказаних схем. Проведено широкі числові дослідження техніко-економічних параметрів схем термохімічної регенерації та визначено їх залежності від температурного режиму. Встановлено, що термін окупності схем порядку кількох місяців, отже, термохімічна регенерація є дуже ефективним варіантом використання вторинних енергоресурсів. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2018-09-28 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/677 10.15407/pge2018.03.048 System Research in Energy; No. 3 (54) (2018): The Problems of General Energy; 48-53 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (54) (2018): Проблеми загальної енергетики; 48-53 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/677/587 Copyright (c) 2018 Shraiber O.A. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | thermochemical recuperation reforming gas-turbine plant heat transfer technical-and-economical characteristics pay-back period. Shraiber O.A. Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title | Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title_alt | Визначення економічної ефективності схем термохімічної регенерації для теплових двигунів |
| title_full | Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title_fullStr | Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title_full_unstemmed | Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title_short | Determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| title_sort | determination of the economical efficiency of schemes of thermochemical recuperation for heat engines |
| topic | thermochemical recuperation reforming gas-turbine plant heat transfer technical-and-economical characteristics pay-back period. |
| topic_facet | thermochemical recuperation reforming gas-turbine plant heat transfer technical-and-economical characteristics pay-back period. термохімічна регенерація конверсія газотурбінна установка теплообмін техніко-економічні характеристики термін окупності. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/677 |
| work_keys_str_mv | AT shraiberoa determinationoftheeconomicalefficiencyofschemesofthermochemicalrecuperationforheatengines AT shraiberoa viznačennâekonomíčnoíefektivnostíshemtermohímíčnoíregeneracíídlâteplovihdvigunív |