Располагаемая теплота вторичных энергоресурсов

Снижение потребления тепловой энергии на судах

Современные суда транспортного и промыслового флота оборудуются энергетическими установками большой мощности. В качестве главных двигателей преимущественно используются малооборотные (МОД), среднеоборотные (СОД) двигатели внутреннего сгорания, а также газотурбинные двигатели (ГТД). Одним из направлений повышения технико-экономических показателей судовых энергетических установок (СЭУ) служит применение систем глубокой утилизации теплоты вторичных энергоресурсов.

Источниками теплоты вторичных энергоресурсов главных и вспомогательных двигателей являются отработанные газы с температурой 290¸380 ⁰С у двухтактных и 350¸450 ⁰С у четырехтактных. Температура газов за ГТД составляет 320¸600 ⁰С [13]. К вторичным энергоресурсам относят теплоту пресной охлаждающей воды, имеющей температуру 50¸80 ⁰С, а при высокотемпературном охлаждении двигателей – до 130 ⁰С.

Энергоресурс отработанных в ДВС газов составляет 28¸45 % энергии сжигаемого в двигателе топлива, а охлаждающей воды энергоресурс отработанных газов в ГТД составляет 60¸75 %.

Располагаемой теплотой вторичных энергоресурсов называют теплоту соответствующего теплоносителя, вычисленную относительно температуры окружающей среды.

, (2.1)

G_T - расход теплоносителя

C_T - теплоёмкость теплоносителя при температуре на выходе из двигателя

- теплоёмкость теплоносителя при температуре t₀ окружающей среды.

Утилизационные установки используют только часть располагаемой теплоты, т.к. температура теплоносителя после утилизатора всегда выше температуры окружающей среды Для исключения низкотемпературной коррозии температура газов на выходе из утилизационного котла или подогревателя должна быть не менее чем на 25 ⁰С выше точки росы.

, (2.2)

Точку росы серной кислоты в отработанных газах можно определить по формуле [14].

, (2.3)

- температура конденсации водяных паров, соответствующая их парциальному давлению;

S_p - приведенное содержание серы в топливе.

На температуру теплоносителя после утилизатора влияют и другие факторы, например: температура поступающей нагреваемой среды, ограничения по габаритам и другие, в связи с чем количество утилизируемой теплоты определяется по выражению

), (2.4)

- теплоёмкость теплоносителя при его температуре t_ух за утилизатором.

Эффективность утилизации теплоты может быть оценена коэффициентом утилизации Y¢

, (2.5)

При определении коэффициента утилизации часто пренебрегают изменениями зависимостью теплоёмкости от температуры и используют выражение

, (2.6)

При номинальных режимах работы дизелей коэффициент утилизации для отработанных газов может находиться в пределах 0,45¸0,54 для двухтактных с контурной продувкой, 0,59¸0,62 для двухтактных с прямоточной продувкой, 0,60¸0,68 для четырёхтактных и 0,45¸0,8 для ГТД.

При работе поршневых ДВС по винтовой характеристике в режимах, отличных от номинальных, в диапазоне изменения частот вращения от 70 до 100 % для определения коэффициента утилизации теплоты отработанных газов рекомендуется выражение [15]

, (2.7)

где - температура отработанных газов на номинальном режиме;

n_Н, n - частоты вращения дизеля соответственно на номинальном и долевом режимах;

m₁ - показатель степени равный: 2,05 – для четырехтактных ДВС без наддува, 1,8 – для четырехтактных ДВС с наддувом, 1,4 - для двухтактных МОД.

2.2 Энергетическая оценка объёмов теплоты вторичных энергоресурсов

Располагаемая теплота вторичных энергоресурсов, согласно выражению (2.1) зависит от расхода теплоносителя, поступающего в утилизатор и его температуры. Высокие значения количества теплоты вторичных энергоресурсов могут быть обеспечены как большим расходом, так и высокой температурой.

Согласно термодинамическим законам, эффективность преобразования теплоты в полную энергию будет тем больше, чем выше потенциал рабочего тела, т.е. чем выше его температура и давление.

Математическое описание процессов гидродинамики и передачи теплоты в утилизаторах, которое принято называть математической моделью, имеет смысл представлять в виде аналитических выражений изменения давлений и температуры теплоносителей. В конечном счете, математическая модель утилизатора для её большей точности должна быть скорректирована коэффициентами, полученными путем теоретических и экспериментальных исследований. Аналитические зависимости математической модели получаются из соотношений сохранения массы, импульса, энергии и позволяют с достаточной степенью точности выполнять конструкторский расчёт передачи теплоты и описать гидродинамику рабочего тела.

Иначе обстоит дело с качественной оценкой теплопередающих свойств, учесть которые можно, оперируя только понятиями эксергии и анергии. Эксергия материи – это максимальная работа, которая может быть совершена в обратимом термодинамическом процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой [16]. Однако все энергетические процессы, реализуемые на практике протекают необратимо. Поэтому действительная полезная работа меньше максимальной на величину, называемую потерей эксергии. Основными видами эксергии являются физическая и химическая, их сумма называется термической эксергией. В каждом практически протекаемом необратимом процессе эксергия преобразуется в анергию (рабочее тело с параметрами окружающей среды не имеет предпосылок для совершения дополнительной работы).

Эксергия системы или потока

, (2.8)

где: G - расход рабочей среды;

i, i₀ - энтальпия, соответственно, рабочего тела в начале процесса и при параметрах окружающей среды;

T₀ - абсолютная температура окружающей среды;

S, S₀ - энтропия, соответственно, рабочего тела в начале процесса и при параметрах окружающей среды.

При фиксированных значениях параметров конечного состояния Т₀ и р₀, определенных температурой и давлением окружающей среды, значение эксергии рабочего тела зависит только от его начального состояния. Поэтому эксергия является функцией состояния рабочего тела при заданных условиях в окружающей среде.

Котлы – утилизаторы представляют теплообменные аппараты, в которых передача теплоты происходит при конечной разности температур между греющим и обогреваемым теплоносителями, т.е. является неравновесным процессом. В результате теплообмена происходит уменьшение работоспособности греющего и возрастание работоспособности обогреваемого теплоносителя. Наличие необратимости (конечной разности температур) приводит к возникновению потерь работоспособности с эксергетических потерь). Эксергии теплоты, отдаваемой греющим и получаемой нагреваемым теплоносителями в противоточном рекуперативном теплообменном аппарате для случая пренебрежения зависимостями теплоёмкостей от температуры можно записать:

; (2.9)

, (2.10)

где и – количества теплоты;

и - расходы теплоносителей;

и - теплоёмкости теплоносителей.

Потеря эксергии выразится в виде разности эксергий теплоты

. (2.11)

Эксергетический КПД теплообменного аппарата определится отношением эксергии теплоты, полученной обогреваемым теплоносителем, к эксергии теплоты, отданный греющим теплоносителем:

(2.12)

Для случая, когда и

(2.13)

Выражение (2.13) является следствием закона Гюи-Стодолы:

(2.14)

где – суммарное увеличение энтропии необратимых процессов.

Эксергию в дифференциальной форме можно записать

, (2.15)

где – количество теплоты в потоке;

- коэффициент качества теплоты.

Коэффициент качества теплоты условно характеризует температурный потенциал теплоносителя, с увеличением которого термодинамические преобразования происходят более эффективно.

Дата добавления: 2015-06-27