Термодинамический анализ и оптимизация параметров вторичного перегрева в турбодетандерных установках на низкокипящих рабочих телах

В работе представлен термодинамический анализ вторичного перегрева в турбодетандерных установках на низкокипящих рабочих телах. Изучена возможность оптимизации параметров рабочего тела во вторичном пароперегревателе. Исследования проводились для двух характерных турбодетандерных циклов: с теплообменным аппаратом на выходе из турбодетандера, предназначенным для охлаждения перегретого низкокипящего рабочего тела, и без теплообменного аппарата. Для исследуемых схем построены циклы в T–s-координатах. Изучено влияние давления и температуры в промежуточном перегревателе на эксергетический коэффициента полезного действия турбодетандерной установки. Получены зависимости эксергетического КПД и потерь по элементам турбодетандерного цикла при изменении температуры и неизменном давлении рабочего тела в промежуточном пароперегревателе, а также при изменении давления и неизменной температуре. В качестве низкокипящего рабочего тела рассмотрен озонобезопасный фреон R236EA, имеющий «сухую» характеристику линии насыщения, нулевой потенциал разрушения озонового слоя и потенциал глобального потепления, равный 1370. Установлено, что повышение параметров низкокипящего рабочего тела перед турбодетандером низкого давления (независимо от схемы турбодетандерного цикла) не всегда приводит к повышению эксергетического КПД. Так, перегрев рабочего тела при давлении, превышающем критическое, приводит к положительному эксергетическому эффекту. Однако для каждой температуры существует оптимальное давление, при котором КПД будет максимальным. При давлении ниже критического перегрев приводит к снижению эксергетического КПД и максимальный эксергетический эффект достигается при отсутствии вторичного пароперегревателя. При прочих равных условиях турбодетандерный цикл с теплообменным аппаратом более эффективен, чем без него, на всем исследуемом интервале температур и давлений низкокипящего рабочего тела.

1. Chen, W. J. Optimal Performance Characteristics of Subcritical Simple Irreversible Organic Rankine Cycle / W. J. Chen [et al.] // Journal of Thermal Science. 2018. Vol. 27, Nо 6. P. 555–562. https://doi.org/10.1007/s11630-018-1049-5.

2. Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник [и др.] // Вестник ГГТУ имени П. О. Сухого. 2019. № 2. С. 41–51.

3. Белов, Г. В. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике / Г. В. Белов, М. А. Дорохова // Наука и образование: Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 2. С. 99–124. https://doi.org/10.7463/0214.0699165.

4. Овсянник, А. В. Турбодетандерная установка на диоксиде углерода с производством жидкой и газообразной углекислоты / А. В. Овсянник // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. С. 77–87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-77-87.

5. Trigeneration Units on Carbon Dioxide with Two-Time Overheating with Installation of Turbo Detainder and Recovery Boiler / A. V. Ovsyannik [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683, No 042010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042010.

6. Ovsyannik, A. V. Thermodynamic Analysis and Optimization of Low-Boiling Fluid Parameters in a Turboexpander / A. V. Ovsyannik, V. P. Kliuchinski // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1683, No 042005. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/4/042005.

7. Овсянник, А. В. Разработка компьютерной программы для оптимизации параметров низкокипящего рабочего тела в турбодетандерной установке / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2020. № 3/4. С. 108–115.

8. Овсянник, А. В. Термодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установок / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 554–562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562.

9. Трухний, А. Д. Стационарные паровые турбины / А. Д. Трухний. М.: Энергоатомиздат, 1990. 640 с.

10. Овсянник, А. В. Турбодетандерные установки на низкокипящих рабочих телах / А. В. Ов-сянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 1. С. 65–77. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-1-65-77.

11. Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

12. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бродянский. М.: Энергия, 1973. 295 с.

13. Сажин, Б. С. Эксергетический анализ работы промышленных установок / Б. С. Сажин, А. П. Булеков, В. Б. Сажин. М.: Моск. гос. текстильн. ун-т имени А. Н. Косыгина, 2000. 297 с.

14. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.

15. Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. М.: Энергия, 1968. 280 с.