Повышение эффективности работы когенератора

37

1. Повышение эффективности работы когенератора

1.1 Общие сведения о применении когенератора в качестве основного источника энергии

Когенерация - технология, позволяющая снизить стоимость производства энергии путем резкого повышения эффективности электростанции. Иначе говоря, система когенерации позволяет использовать то тепло, которое обычно просто теряется. При этом снижается потребность в покупной энергии, что способствует уменьшению производственных расходов.

Разумеется, когенерация, как и любая другая технология, требующая определенных вложений, не является панацеей. Она оправдывает себя в тех случаях, когда потребитель имеет возможность использовать и оптимально сочетать соответствующие формы энергии, сокращая тем самым свои расходы, с учетом стоимости топлива и электроэнергии. При этом возможно добиться годовой экономии на потреблении энергии от 33 до 50%.

По определению Американского общества инженеров по теплотехнике, холодильным установкам и кондиционированию (ASHRAE), когенерация представляет собой последовательное использование первичного источника энергии для получения двух форм полезной энергии - тепловой и электрической.

По своей природе когенерация близка к теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Возникли когенераторы вследствие невозможности утилизировать тепловую энергию, производимую ТЭЦ, более эффективно. Суммарные потери ТЭЦ превышает 35% и это не являются свидетельством небрежности или расточительности проектантов. Такая ситуация возникает из-за невозможности передавать низкопотенциальное тепло на большие расстояния и утилизировать всё тепло производимое источником энергии, главная задача которого производить электроэнергию.

Данная ситуация ведёт к снижению эффективности экономики страны, которая определяется количеством затрачиваемого топлива на производство единицы валового продукта в рассматриваемом случае энергии. Для справки станция мощностью 514 МВт, работающая на угле при эффективности использования топлива 32%, израсходовала в 1983 году угля на 50 млн. долларов, что составило 80% всех производственных расходов станции; при этом энергия на сумму 34 млн. долларов была потеряна! Частично она "ушла в трубу", частично оказалась в ближайшей реке. Еще 1.6 млн. долларов было потеряно в линиях электропередач.

Иными словами, необходим источника энергии, который производил небольшое количество энергии, и его можно было бы разместить рядом с потребителем. А самое главное этот источник должен более эффективно использовать топливо, ведь есть реальная возможность использования тепловой энергии, которая уже не может быть преобразована в электроэнергию. В качестве такого источника можно использовать мини ТЭЦ или когенератор.

1.2. Экономическая эффективность использования когенератора

Когенерация не всегда обеспечивает минимальную стоимость производства тепла и энергии. В некоторых районах США, где имеется достаточно дешевой энергии, стоимость энергии, производимой когенератором, с учетом ресурса установки, может оказаться выше, чем энергии, покупаемой у обычных поставщиков. Если конечный потребитель не имеет возможности эффективно использовать "теряемое" тепло, когенерация экономии не дает. Однако там, где стоимость электричества высока или имеет тенденцию к росту, где имеются достаточные ресурсы дешевого побочного топлива, где, наконец, существует сбалансированная потребность в тепловой и электрической энергии - там когенерация вполне целесообразна. В ряде случаев срок окупаемости вложений в установки когенерации не превышает двух лет. В других случаях этот срок может составить пять или десять лет, но такие сроки не применимы, если говорить о сравнении с внешней СЭС.

“Сердцем” системы является первичный двигатель. Двигатели могут существенно различаться по мощности и КПД. В целом, поршневые двигатели наиболее эффективны и лучше всего приспособлены для применений, где требуются мощности от 45 КВТ (в одном модуле) до 1500 КВТ (стационарные системы). Нижний предел мощности для существующих газовых турбин составляет порядка 500 КВТ, однако эти относительно малые агрегаты значительно уступают по КПД как более мощным (свыше 5000 КВТ) газотурбинным установкам, так и поршневым двигателям. Паровые турбины наиболее эффективны при мощностях 5-10 МВТ в агрегате - см рис. 3.

При проектировании систем когенерации приходится искать компромисс между множеством противоречивых технических и экономических требований.

Выбор первичного двигателя определяется относительной стоимостью топлива, местными условиями, потребностью в тепле, имеющимся оборудованием и доступностью топлива. Необходимо также принимать во внимание требования надежности, доступность запчастей, условия взаимодействия с сетью, а также с механическими и электрическими системами на месте установки.

Все перечисленные типы первичных двигателей успешно себя зарекомендовали в установках когенерации, имеющих, как правило, мощность порядка нескольких сот киловатт и более. Системы меньшей мощности ранее обычно бывали нерентабельны из-за относительно высокой для того времени стоимости вспомогательных систем, а также большой стоимости проектирования и финансирования, которая мало зависела от мощности установки. В результате "малые" потребители, которым зачастую приходилось платить за энергию по высшим ставкам, не могли воспользоваться выгодами когенерации. Теперь положение изменилось.

37

Рисунок.3 - Диапазоны КПД первичных двигателей.

В настоящем разрабатываются модули полностью заводского изготовления, каждый из которых представляет собой законченную систему когенерации. Такие модули выпускаются в широком диапазоне мощностей, что позволяет потребителю сократить свои расходы за счет использования когенерации, не тратя при этом денег на проектирование новой системы. Задача проектанта в этом случае сводится только к организации топливоснабжения и соединений между модулем и потребителем энергии. Применение таких модулей там, где применяются те же мотор - генераторы, что и в стационарных установках, позволило снизить стоимость производимой ими энергии до значений, характерных для больших систем, создаваемых по индивидуальным проектам.

Заводские модули устанавливаются в гостиницах, спортзалах, больницах, ресторанах, яслях, а также на различных промышленных предприятиях. Существует общероссийская программа [34] по которой приветствуется развитие энергосберегающих технологий, особенно когенераторов. В США 15% энергии производится с помощью когенераторов. Благодаря своей компактности они во многих случаях могут размещаться внутри или поблизости от существующих помещений с механическим или электрическим оборудованием. Замещая дорогую покупную электроэнергию, такие системы имеют очень короткий срок окупаемости.

Кроме того, возможна связь с энергосистемой. В этом случае когенератор может быть использован, как источник относительно дешевой дополнительной и пиковой мощности, а также вспомогательной и резервной мощности. Большинство энергосистем разработали технические требования для соединений когенератора с сетью. По программе [34] правительство РФ утвердило возможность покупки энергии у частных источников, тем более, что в больших городах существует реальный дефицит мощности (нехватка электроэнергии).

Таким образом, можно сделать краткий вывод. Мировая практика показала, что система когенерации имеет право на существование, однако, не во всех случаях применение когенерации экономически эффективно. Эффективность применения когенерации зависит от ряда факторов:

- способность потребителя утилизировать тепловую энергию по максимуму,

- коэффициента полезного действия источника,

- величина потерь энергии при передаче, зависящая от расстояния до потребителя (очистка выхлопа).

1. Способность потребителя утилизировать максимальное количество тепловой энергии зависит от ступенчатости графика теплопотребления. Некоторое количество тепла от когенератора будет теряться из-за отсутствия необходимости у потребителя в таковой, однако существует возможность накапливать тепловую энергию традиционными способами в виде горячей воды.

2. Повысить коэффициент полезного действия можно, если отобрать большее количество тепла у выхлопных газов, однако при достижении некоторой температуры, возможна конденсация продуктов сгорания и как следствие коррозия “хвостов” ДВС.

3. Уменьшение расстояния от потребителя до источника может быть недопустима по нормам экологической безопасности, значит, необходима система очистки выхлопа.

И так что предлагают производители когенераторов для реализации описанных выше мероприятий.

Для того чтобы потребитель использовал максимум произведённой энергии, предлагается использовать накопители горячей воды либо добавлять дополнительные источники тепла. Однако не во всех случаях такие дополнительные потребители существуют, а на накопители тепла в виде горячей воды требуется электроэнергия на её подогрев. При подогреве воды количество затрачиваемой электроэнергии больше либо равно произведённому с помощью неё тепла.

Повышение КПД когенератора производителями когенератора не рассматривается. Считается, что суммарный КПД и так велик по сравнению с другими источниками, а дальнейшее охлаждение выхлопных газов может привести к коррозии.

Для очистки выхлопа применяются различные фильтры, очищающие газообразные продукты сгорания, однако стоимость всей электростанции при их использовании возрастает на 5-15%, что уменьшает экономическую эффективность когенератора.

В данном разделе рассматривается два изобретения, с помощью которых возможно повысить экономическую эффективность использования когенератора (далее модернизированного когенератора или предложенного устройства).

1.3. Повышение экономической эффективности использования когенератора

Предлагается известный когенератор объединить с тепловым насосом и добавить в схему устройство, накапливающее энергию (накопительный бак хладагента).

В накопительном баке хладагента энергия будет накапливаться в виде газообразного хладагента под высоким давлением. При нехватке энергии произведённой модернизированным когенератором хладагент из бака будет поступать в конденсатор и там, конденсируясь, отдавать тепловую энергию. Принцип повышения эффективности работы когенератора заключается в том, что будет запасаться потенциальная энергия, а не кинетическая. Как известно, для сохранения потенциальной энергии не требуется дополнительных энергозатрат.

Предлагаемая конструкция позволит:

1. С помощью теплового насоса можно охлаждать выхлоп до более низких температур, что приведёт повышению КПД.

2. С помощью химических реакций обмена можно очистить выхлоп от оксидов азота и углерода (реализуется с помощью второго изобретения).

Принципиальная схема устройства изображена на рисунках 4 и 5. Принцип работы заключается в следующем:

Имеется известное устройство - когенератор, состоящий из ДВС с генератором электроэнергии 1, теплообменником отбирающим тепловую энергию у выхлопных газов 3, система отбора тепла у масляной системы посредством масловодяного теплообменника 4 и система отбора тепла у водяной системы охлаждения блока цилиндров с помощью водоводяного теплообменника 5.

Модернизация заключается в дополнении известного когенератора двумя тепловыми насосами 7 и 9 и накопительным баком хладагента 8, и её целью стало три новых полезных свойства:

1. Тепловые насосы позволят преобразовать низкопотенциальное тепло в тепловую энергию с потенциалом достаточным для потребителя. И как результат повышение количества вырабатываемой полезной энергии (повышение КПД).

2. Накопительный бак хладагента позволит накапливать тепловую энергию в виде газообразного хладагента под высоким давлением. С помощью этого устройства можно достичь второго полезного свойства - запасание потенциальной энергии, а не кинетической, как в котельных. Потенциальная энергия может храниться без дополнительных энергозатрат в отличии от кинетической.

3. Совмещение устройств 7, 9 и 8 позволит регулировать отпуск тепловой энергии при работе двигателя когенератора в номинальном (экономически эффективном с минимальным топливопотреблением) режиме. Это и будет третьим полезным свойством модернизации когенератора.

Конструктивно модернизированный когенератор (или когенератор М) представляет следующее:

Имеется известное устройство - тепловые насосы 7 и 9. Они состоят из компрессоров для сжатия газообразного хладагента 13, конденсаторы 15 и 16 для отдачи энергии посредством конденсации хладагента, испарители 10 для забора тепла у выхлопа, воды системы охлаждения и масла масляной системы ДВС посредством испарения хладагента (первое полезное свойство). Регулируя степень сжатия компрессором можно добиться увеличение температуры теплоносителя (горячей воды). Единственное ограничение - предельная температура хладагента, при которой начинается его химическое разложение. У хладона R 134a предельная температура - 110 ⁰С [33], [31] (первое полезное свойство). Дроссельные вентили 11 и перепускные вентили 14 предназначены для регулирования отпуска энергии (второе и третье полезное свойство когенератора М).

Способ накопления энергии заключается в том, что с помощью бака накопления хладагента (БНХ) энергия накапливается в виде газообразного хладагента под давлением. БНХ предназначен для накопления потенциальной энергии конденсации хладагента. При возникновении у потребителя потребности в тепле перепускные вентили по порциям отдают газообразный хладагент конденсатору, где тот отдаёт тепловую энергию конденсации хладагента потребителю тепла. Температура конденсации постоянна - изотермический процесс, главное не допустить конденсации хладагента в БНХ. Для этого необходимо рассчитать ёмкость бака и давление, которое должно там поддерживаться. Для этого достаточно известной зависимости давления от объёма и температуры представленной ниже:

Насколько устройство будет экономически эффективно можно судить, сравнив коэффициенты полезного действия предложенного устройства и типового когенератора, а также, на сколько повысится стоимость модернизированного устройства.

Проанализировав стоимости составных частей ТН, а также цены поставщиков тепловых насосов можно утверждать, что капитальные затраты повысятся на К%. К=5-10% при этом масса и габариты нового источника увеличится примерно на 15 - 25%.

Условная стоимость С_уТН ТН - 200-300 уе за 1 кВт потребляемой электрической мощности,

По предварительным расчётам стоимость ТН составит около 20% стоимости когенератора.

Условная стоимость когенератора С_уК - 750-1000 уе за 1 кВт вырабатываемой электрической энергии.



Рисунок 5 - Функциональная схема работы 7-9 блоков заявленного устройства

2.4 Общие положения при расчёте коэффициента полезного действия когенератора

Для того чтобы посчитать экономическую эффективность предложенного устройства надо знать его коэффициент полезного действия. Определения КПД для различных сфер науки и техники звучит по разному, из-за этого возникают вопросы между специалистами разных направлений. Например, некоторые теплотехники считают, что КПД устройства может быть больше 100% и этому есть доказательства в литературе [23] (печь Ф. Нансена для приготовления пищи имеет КПД 106.75%). Специалисты, работающие в сфере электроснабжения, считают, что коэффициент полезного действия не может быть выше 100% и этому есть разумное объяснение - закон сохранения энергии.

Классическое определение КПД [29]:

Коэффициент полезного действия какого-либо устройства - это отношение полезной энергии (работы), идущей на совершение действия, для которого предназначено устройство, к затрачиваемой энергии (работе) приложенной либо переданной устройству.

Определение КПД для электрической машины [28]:

КПД машины в режиме двигателя определяется как отношение полезной механической мощности, Р₂, к активной мощности потребляемой из сети, Р_1.

Определение эффективного КПД для дизельгенератора [30]:

Отношение количества тепла, превращённого в механическую работу на валу двигателя, ко всему затрачиваемому теплу (низшая теплота сгорания топлива (НТС) Q^r_s) называется эффективным КПД.

Это определение приемлемо для России и ряда других стран [23]. В США и Великобритании теплотехнические расчёты (в том числе и расчёт КПД для некоторых тепловых машин) выполняются на основе высшей теплоты сгорания (ВТС) Q^r_i. Высшая теплотворная способность топлива может быть больше низшей теплоты сгорания на 15-40%.

Q^r_i. - это теплота, полученная при сжигании топлива и от конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Количество водяных паров, а, следовательно, и количество скрытой энергии в них зависит от влажности топлива, от влажности всасываемого топлива, от коэффициента избытка топлива б, от количества водорода содержащегося в топливе (из 1 килограмма водорода при реакции окисления топлива получается примерно 9 кг. водяных паров, а при конденсации 1 кг. водяных паров получается 2,5 МДж теплоты).

Q^r_s - это теплота полученная при охлаждении продуктов сгорания топлива без учёта скрытой теплоты конденсации, т.е. при охлаждении топлива конденсации водяных паров не происходит.

При расчёте КПД печи Нансена пользовались классическим определением КПД, но в качестве затрачиваемой энергии использовали низшую теплотворную способность топлива и не учитывали энергию, в том числе и скрытую, содержащуюся в используемом при горении воздухе.

Определение эффективного КПД для теплового насоса (далее ТН):

Отношение активной электрической энергии затрачиваемой на работу компрессора и собственные нужды ТН к количеству получаемой тепловой энергии называется коэффициентом полезного действия или коэффициентом использования топлива КИТ.

КПД или КИТ теплового насоса может достигать 500% и это доказано в 18 веке лордом Кельвином. Такое, абсурдное, на первый взгляд, значение КПД получается из-за того, что в качестве затрачиваемой энергии рассматривается только та энергия, которая обеспечивает работу компрессора, а энергия забираемая от внешнего источника не учитывается. Если учесть энергию от внешнего источника, то КПД будет не больше 100%.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что КПД не может быть выше 100%, если при расчете в качестве полной затрачиваемой энергии берётся высшая теплотворная способность топлива и учитывается вся энергия воздуха, участвующего при горении. Также следует помнить о поэтапном развитии науки (т.е. классическое определение КПД в физике появилось гораздо раньше, чем специальные определения в теплотехнике и энергетике), поэтому при разработке нового устройства необходимо пользоваться классическими определениями и расчетами. Классическое определение КПД основано на законе сохранения энергии, который никто на настоящий момент не опровергнул, а если это произойдёт, то это будет очень большой прорыв в науке и технике. При определении КПД предложенного устройства, которое создано при объединении устройств, производящих тепловую и электрическую энергию, следует пользоваться классическим определением, иначе может получиться, что КПД больше 100%, что будет не в полной мере корректно. Считаю, что коэффициент полезного действия, который рассчитывается без учета скрытой теплоты (энергии), более правильным было бы называть коэффициентом использования топлива КИТ, при чём под топливом следует понимать не только явную энергию, выделенную при сжигании топлива, но и электрическую энергию затрачиваемую на собственные нужды.

, где W_Э - электрическая энергия, выработанная источником,

W_Т - тепловая энергия выработанная источником,

W_В - тепловая энергия воздуха (в том числе и скрытая в водяных парах),

W_Я - явная тепловая энергия полученная при охлаждении продуктов сгорания и или преобразовании её в энергию вращающую вал генератора,

W_С - скрытая энергия, полученная при конденсации водяных паров, образованных из-за химической реакции окисления.

2.5. Общие положения при расчёте коэффициента полезного действия когенератора

Для расчёта КПД предлагаемого источника энергии выберем типовой когенератора:

Таблица технических характеристик когенератора G2318A.

Наименование	Ед. изм.	Величина
Фирма изготовитель		Waukesha
марка		WHP7100G
Тип двигателя
Выдаваемая в сеть электрическая мощность	кВт/ч	608
Частота тока	Гц	50
Напряжение	кВ	400
Частота вращения вала	Об/мин	1000
Электрический КПД (от НТС)	%	38
Тепловой КПД (от НТС)	%	49.1
Потери энергии с уходящими газами (от НТС)	%	7.4
Потери на излучение (от НТС)	%	5,5
Вид потребляемого топлива		Природный газ
Степень сжатия в цилиндрах ДВС		10:1
Температура выхлопа до теплообменника выхлопных газов	0С	600
Температура выхлопа после теплообменника выхлопных газов	0С	160
Топливопотребление Gт	нм3/кВт/ч	177
Содержание оксида азота в выхлопе	норма	0.9* норма

Для удобства дальнейших расчётов переведём топливопотребление в кг/кВт/ч:

,

где m - масса топлива потребляемого ДВС за 1 час работы в нормальном режиме,

V - объём топлива потребляемого ДВС за 1 час работы в нормальном режиме,

с - плотность природного газа (0,717кг/нм³).

Gт=127кг/ч.

Из литературы [23] известно, низшая теплота сгорания при сжигании 1нм³ либо 1кг природного газа будет составлять 36,7 МДж/нм³ 51.1МДж/кг тепловой энергии соответственно, а значит при нормальной работе выбранного когенератора в течении одного часа будет получено 6496 МДж тепловой энергии.

Q^r_s =6496 МДж

Начальная температура при сжигании в камере сгорания будет равна t_теор=2065⁰С:

,

где с_р - теплоёмкость топлива,

V - объём воздуха.

Известно, что после теплообменника выхлопных газов температура сгорания составляет 160 ⁰С. Если допустить, что теплоёмкость выхлопных газов с_р в диапазоне температур от 160 ⁰С до 20 ⁰С постоянна (она практически не меняется [20]), то можно примерно посчитать ожидаемый результат повышения КПД при большем охлаждении выхлопных газов. Если принять t_теор за 100%, то разность температур 160-20 ⁰С будет соответствовать 6,8%, что соответствует данным таблице технических характеристик когенератора (при охлаждении выхлопа до 0 ⁰С повышение КПД будет равно 7,4%).

с_р1=1,084Дж/кг при 160 ⁰С,

с_р2=1,047Дж/кг при 20 ⁰С,

с_рв=1,4 Дж/кг при 2000 ⁰С

Q_oхл=G*(i₁-i₂)=G*(c_p1*t₁-c_p2*t₂)=465,4 МДж

Q^r_s=G* c_pв*t_теор= G* c_pв*2065=6496 МДж,

Если Q^r_s соответствует 100% энергии выделяемой при сжигании топлива, то Q_о будет соответствовать 7,1 %.

Из этого следует, что при полной утилизации явной теплоты выделенной при сжигании природного газа можно повысить КПД когенератора примерно на 7 %.

Не следует забывать и о скрытой теплоте, которую можно получить при охлаждении выхлопных газов до 30 - 100 ⁰С (температура конденсации зависит от давления в конденсируемой среде). В двигателях внутреннего сгорания стараются не понижать температуру выхлопных газов до таких низких температур, так как это может привести к конденсации продуктов сгорания и, как следствие к химической коррозии “хвостов”. Коррозия “хвостов” в ДВС возникает при сжигании топлив с содержанием серы (образование серной и сернистой кислоты). Как известно, [23] таблица 15.1 стр. 123 в состав природного газа сера, ни в каком виде, не входит, поэтому при конденсации выхлопа разбавленная серная кислота (основная причина химической коррозии) будет отсутствовать. Однако при температуре более 2000 ⁰С из азота, находящемся в воздухе может образоваться оксид азота, который при больших температурах, взаимодействуя с водой, может образовать азотную кислоту, которая тоже может стать причиной коррозии. Правда, при создании условий описанных выше азотной кислоты образуется незначительное количество из-за незначительного времени нахождения оксида азота при температуре большей 2000 ⁰С (достаточной концентрации оксида азота в продуктах сгорания не успевает образоваться [30]).

Из вышеизложенного можно сделать вывод: при сжигании природного газа и его охлаждении до температур конденсации, коррозии происходить не будет и ко всему прочему можно получить скрытую тепловую энергию при конденсации паров, содержащихся в выхлопе.

Возникает вопрос: “Почему же в настоящее время существующие источники энергии не используют скрытое и низкопотенциальное тепло?”

Ответ заключается в том, что:

во-первых, такое использование тепла приемлемо только для источников работающих на чистом топливе (природный газ) из-за коррозии. Получить лимит на газ иногда очень трудно.

Во-вторых, тепло, которое можно получить при дальнейшем охлаждении выхлопа, является низкопотенциальным, т.е. источник должен быть рядом с потребителем, а по экологическим нормам это не всегда возможно.

В-третьих, чтобы охладить выхлоп до температуры конденсации с помощью водяного противоточного теплообменника необходимо подать воду температурой ниже, чем температура конденсации выхлопа, а при условии, что температура обратной воды системы отопления не меньше 50 ⁰С, это не возможно. Если охлаждать выхлоп водой горячего водоснабжения, то может получиться, что энергия опять будет теряться из-за ступенчатости графика потребления горячей воды.

2.6. Описание и расчет процесса окисления топлива происходящего в модернизированном когенераторе

При рассмотрении процесса горения природного газа можно принять допущение, что гореть будет метан, так как согласно [20] и [23] природный газ состоит на 95-98% из метана (СН₄). Как известно из [21] процесс горения - это окислительно-восстановительная реакция. В качестве окислителя выступает кислород, а восстановителем является метан.

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О

Согласно закону сохранения массы вещества [21], в процессе горения участвуют:

16г. метана и 64г. кислорода,

а продуктами реакции являются:

44г. углекислого газа и 36г. водяных паров.

Необходимо помнить, что кислород для реакции окисления берётся из воздуха, который имеет следующий массовый процентный состав:

В=23,2%О₂+76,8%N₂+dH₂O,

где d - влажностный коэффициент (11,38 г/кг),

Также при составлении реальной реакции горения топлива, следует учитывать то, что процесс не идеальный, т.е. не все молекулы кислорода взаимодействуют с молекулами топлива. Для этого необходимо учесть коэффициент избытка воздуха (для рассматриваемого ДВС б=2.2). Массовый состав веществ находящихся в камере сгорания при работе ДВС, до и после сгорания топлива с учётом вышеперечисленных особенностей, представлен ниже:

16г.СН₄+64г.О₂+38,4г.О₂+233г.N₂+3,45г.Н₂О=44г.СО₂+39,45г.Н₂О+ +38,4г.О₂+233г.N₂,

48,4 г.О₂ и 233г.N₂ в реакции не участвуют, а их наличие обусловлено коэффициентом б.

При условии, что рассматриваемый двигатель за час нормальной работы преобразует энергию, выделенную при сжигании 127 килограммов топлива, то массовый состав пропорционально увеличится:

127кг.СН₄+508кг.О₂+304,8кг.О₂+1849,4кг.N₂+27,4кг.Н₂О=349,3кг.СО₂+285,8кг.Н₂О+27,4кг.Н ₂О+304,8кг.О₂+1849,4кг.N₂,

2807кг=2807кг верно

В итоге получается, что при нормальной работе рассматриваемого когенератора, получается 2807кг. выхлопных газов, в состав которых входят водяные пары, имеющие скрытую теплоту конденсации, на величину которой и отличается высшая теплота сгорания топлива от низшей.

Как известно из [20], [21], [23], [25], [30] и других источников литературы при конденсации одного килограмма водяного пара можно получить 2,5 МДж теплоты.

Количество скрытой теплоты при сжигании 1 кг. метана можно посчитать с помощью выражения описанного в [23], [25] и [30]:

Q_c= Q^r_i - Q^r_s=22,42(W^r+8,94H^r),

где индекс r обозначает, что взята массовая доля элемента в смеси или ином элементе (r зависит от малярной массы),

W - влажность топлива (для природного газа она равна 12% [25]), следует учесть также и влажность всасываемого в камеру сгорания воздуха d=1,1%,

H - массовое содержание водорода в топливе в процентах от молярной массы топлива (m_CH4=16г/моль, m_4H=4г/моль, m_C=12г/моль отсюда Н^r=25%)

Q_с=5,777MДж/кг,

Если взять НТС топлива за 100%, то КПД устройства при конденсации выхлопа повысится на 11,3%. Соответственно ВТС природного газа будет равна:

Q^r_i =Q_c+Q^r_s=56,877 MДж/кг.

В итоге без учёта собственных электрических нужд когенератора и теплового насоса ожидаемый суммарный КПД предложенного устройства составит:

з_б=38,3+49,1+7,1+11,3=105,8%

Таким образом, получается, что КПД когенератора можно значительно повысить при использовании теплового насоса. Считаю, что имеется смысл использовать тепловой насос для отбора скрытой теплоты. Как описывалось выше, охладить выхлоп с помощью обычных водяных теплообменников будет проблематично.

С помощью теплового насоса можно будет решить четыре основных задачи:

1. Отобрать низкопотенциальную энергию выхлопных газов температурой 160 0С и преумножить её с помощью теплового насоса, сделав тем самым эту энергию приемлемой для системы отопления или горячего водоснабжения,

2. Отобрать скрытую энергию парообразования водяных паров.

3. Предоставить возможность накопления энергии в виде газообразного хладагента под давлением,

4. Произвести очистку продуктов сгорания от вредных примесей путём применения химических реакций замещения.

Как было описано выше, на величину реального суммарного КПД (з_р) предложенного устройства будут влиять собственные нужды теплового насоса и самого когенератора.

з_р=з_б - з_к - з_тн,

где з_к - собственные электрические нужды когенератора (4%),

з_тк - собственные электрические нужды теплового насоса (зависят от потребляемой активной энергии компрессора).

2.7. Расчёт электрической мощности компрессора теплового насоса

Основным выражением для расчета компрессора [22] является выражение:

N_i+Q_o=Q_k, где (1)

N_i - индикаторная мощность компрессора (для поршневых компрессоров потребляемая электрическая мощность в 1,3 больше этого значения),

Q_o - холодопроизводительность испарителя (какое количество тепловой энергии должен забрать испаритель у охлаждаемой среды, в нашем случае у продуктов сгорания),

Q_k - теплопроизводительность конденсатора (количество тепловой энергии которое должен отдать конденсатор).

В выражении 1 известным является только величина холодопроизводительности и она соответствует сумме количеств тепла отданного выхлопными газами при их охлаждении от 160 ⁰С до 20 ⁰С и скрытому теплу конденсации паров воды.

Q_o = Q_oхл + Gт * Q_с=465,4+127*5,777=1199,1 МДж=286,2кВт

Такое количество тепловой энергии должен отобрать испаритель теплового насоса за один час нормальной работы предложенного устройства.

Так как в выражении 1 неизвестными являются две из трёх величины, то необходимо задать некоторые величины для расчёта неизвестных.

Задаваемые величины:

- температура в испарителе - 0 ⁰С,

- температура в конденсаторе - 65 ⁰С,

- температура перед конденсатором - 25 ⁰С (поднять температуру хладагента до компрессора можно использовав тепло окружающей среды в помещении, а точнее тепло, излучаемое двигателем),

- в качестве хладагента выбираем R134a (критическая температура 110 ⁰С, т.е. не произойдёт химического разрушения при температуре 92,6 ⁰С).

С помощью таблиц “свойства холодильных агентов” [31], или программы не базе этих таблиц, разработанной на 46 кафедре ВКА им. А.Ф. Можайского, [32] находим недостающие данные:

- температура после компрессора - 92,6 ⁰С,

- холодильный коэффициент - 2,9,

- удельная массовая холодопроизводительнокть q₀ - 125 кДж/кг,

- удельный массовый отвод тепла от конденсатора q_k - 168,1 кДж/кг,

- удельная работа на сжатие компрессором l_s - 43,15 кДж/кг.

Как известно из [22] найденные данные связанны с величинами выражения (1) следующими выражениями:

Q₀=G_хл*q₀, (2)

Q_k= G_хл*q_k, (3)

N_i= G_хл*l_s, где (4)

G_хл^/ - расход хладагента за один час работы ТН.

Из (2) находим расход хладагента в 1 секунду G_хл:

G_хл=9593/3600=2,66 кг.

Из выражений (3) и (4) находим количество теплоты отдаваемое конденсатором и индикаторную мощность компрессора:

Q_k= 1613 МДж/ч=385кВт/ч,

N_i=413,2 МДж/ч=98,61кВт/ч.

С учётом того, что электрическая мощность электропривода компрессора в 1,3 раза больше, то Рэ^/=128,2 кВт/ч. Если же учесть, что у электропривода компрессора должен быть запас мощности 10-15% [22], то реальная активная мощность электропривода компрессора должна быть Рэ=140кВт/ч. Сравнив значения Рэ и Рэ найдём потери в компрессоре Р_П.

Р_П=41,4 кВ/ч

Р_П - электрическая энергия, которая не преобразуются в полезную тепловую энергию. В процентном отношении з_П=(41,4*34)/608=2,3%

В итоге можно сделать вывод, что при максимальной нагрузке (полном потреблении тепловой и электрической энергии) за один час работы, предложенный агрегат сможет выдавать потребителям 608 - 140=468кВт электрической энергии и 783+385=1168кВт тепловой энергии (где 878кВт - тепловая энергия которую отдаёт типовой когенератор).

Получается, что при сжигании 127 кг. природного газа в камере сгорания ДВС выделится 6496 МДж (или 1589 кВт ) энергии за 1 час работы и затем эта энергия преобразуется в 1731 кВт электрической и тепловой энергии, получается, что подали энергии в камеру сгорания меньше, чем получили. Если этому верить, то КПД предлагаемого источника больше 100% (108,9%). Как описывалось в 1.1 такому КПД можно верить (за 100% энергии берётся НТС топлива, а не высшая, как возможно было бы правильно), но считаю, что правильней было бы называть его коэффициентом использования топлива КИТ.

Если за затрачиваемую энергию (классическое определение КПД) принять высшую теплоту сгорания топлива, а не низшую, как предлагают источники, в которых рассчитывается КПД дизель-генераторов, то КПД рассматриваемого и предложенного устройств будут иметь следующие значения (см. табл. 2).

Таблица 2. - характеристика типового и модернизированного когенератора

	НТС - 100% 1589 кВт/ч	ВТС - 100% 1724 кВт/ч
Когенератор G2318A
Вырабатываемая электрическая мощность кВт/ч	608	608
Вырабатываемая тепловая мощность кВт/ч	783,5	783,5
Потери тепловой мощности в норм. режиме	164,7	164,7
Электрический КПД %	38	35,3
Тепловой КПД %	49,1	45,4
Суммарный полезный КПД %	87,1	80,7
Модернизированный когенератор
Вырабатываемая электрическая мощность кВт/ч	468	468
Вырабатываемая тепловая мощность кВт/ч	1168	1168
Потери мощности в нормальном режиме кВт/ч	88	88
Потери мощности в нормальном режиме %	5,5	5,2
Электрический КПД %	29,5	27,1
Тепловой КПД %	73,5	67,7
Суммарный полезный КПД %	103	94,8

Проанализировав таблицу, можно сделать следующие выводы:

1. Если учитывать всю тепловую энергию, в том числе и скрытую теплоту парообразованию топлива и всасываемого воздуха, то величина КПД не будет больше 100%, что не будет противоречить классическому определению коэффициента полезного действия.

2. Добавив, тепловой насос в схему когенератора можно повысить его КПД примерно на 14%.

3. Так как производительность теплового насоса можно регулировать от 0% до 100% [33], с помощью включения и отключения компрессора, а также с помощью бака накопления газообразного хладагента под высоким давлением.

2.8. Работа модернизированного когенератора при обеспечении потребителей тепловой и электрической энергией

График нагрузки потребителей имеет ступенчатый характер, поэтому реальный КПД типовых когенераторов ниже рекламного. Не всё количество тепловой энергии может быть востребовано потребителями тепла.

Предложенное устройство позволяет регулировать отпуск тепловой энергии:

- в большую сторону при регулировании продолжительности включения компрессора теплового насоса (примерно на 22%),

- в меньшую сторону путём накопления тепловой энергии в баке накопителе газообразного хладагента под давлением (в зависимости от объёма бака накопителя и режима работы потребителей тепловой энергии).

Более наглядно преимущества модернизированного когенераторам можно проследить на конкретном примере. Возьмём график тепловой нагрузки жилого дома рис.6.



Рис. 1

Рисунок.6 - График энергопотребления жилого дома с электрическими плитами.

Невостребованная потребителем энергия S_нв.

Максимальная энергия, которую когенератора может выдать дополнительно с помощью теплового насоса S_ТН.

Максимальная энергия, которая может накопиться в накопительном баке хладагента теплового насоса частично или полностью в зависимости от количества невостребованной потребителем тепловой энергии S_бх.

Прямая, характеризующая тепловую энергию, которую может выдать потребителю типовой когенератор (площадь под кривой характеризует количество тепловой энергии).

Кривая характеризующая график потребления тепла (площадь под ней равна площади под прямой Q_расч).

Прямая, характеризующая максимальное количество дополнительной энергии, которое может получиться при использовании теплового насоса (количество этой энергии соответствует площади между данной прямой и прямой расчётного значения тепловой энергией выданной когенератором). Согласно расчётам эта площадь соответствует 22% от площади под кривой графика теплопотребления или под кривой расчётного значения энергии.

Таким образом, можно сделать вывод, что экономическая эффективность типового когенератора понижается при конкретном режиме работы (суммарный КПД, который описан в таблице технических характеристик когенератора см. табл. №1 меньше реального при работе на конкретный график нагрузок рис.6).

Понижение экономической эффективности происходит на участках оси времени от двадцати одного часа до пяти и от десяти часов до двенадцати часов. Это снижение эффективности связанно со снижением теплового КПД на этих участках (понижения потребности в тепловой энергии у потребителей). На участках от 5 до 10 часов когенератор не справляется с тепловой нагрузкой и это требует либо преобразования части электрической энергии в тепловую (если таковая имеется) либо включения в работу пиковой котельной.

При использовании модернизированного когенератора его экономическая эффективность повышается не только из-за того, что посредством теплового насоса происходит увеличение теплового КПД, но и из-за того, что появляется реальная возможность работы со ступенчатым графиком нагрузки.

1. В периоды с 21 часа до 5 часов и с 10 до 12 происходит накопление энергии, которая не может быть использована потребителем, в накопительном баке хладагента.

2. Периоды, когда необходима пиковая котельная (с 5 часов до 10 и с 12 до 21 часа) сокращаются из-за повышения теплового КПД предложенного устройства по сравнению с типовым когенератором. При работе типового когенератора нехватка тепловой энергии наблюдается 14 часов, а при применении модернизированного устройства - 8 часов.

3. При использовании модернизированного когенератора необходимость в пиковой котельной может исчезнуть, если количества энергии, запасённой в накопительном баке хладагента, будет достаточным для покрытия пиков теплопотребления. Иными словами, если площадь, характеризующая невостребованную потребителем энергию (заштрихованная косыми линиями с правым уклоном S_нв) будет не меньше площади характеризующей энергию, которая может быть накоплена в накопительном баке хладагента (заштрихована пунктирными линиями с левым уклоном S_бх).

С помощью формул эффективность предложенного устройства можно выразить следующим образом:

S_пот^/= Q^/_Sпот

S_пот^/= S_нв - S_бх, где (5)

S_пот^/ - площадь характеризующая потери тепловой энергии. Потери энергии обусловлены тем, что накапливать в накопительном баке хладагента всю неиспользуемую тепловую энергию не имеет смысла из-за того, что полностью её утилизировать в некоторых случаях невозможно.

Величина S_пот^/ может быть и отрицательной и это значит, что есть необходимость в дополнительном источнике тепловой энергии, например в пиковой котельной, правда, величина её будет меньше, чем при использовании типового когенератора, как и время её работы. Производительность пиковая котельная при втором варианте меньше на величину разностей тепловых КПД предложенного устройства и типового когенератора. Продолжительность работы пиковой котельной меньше на 6 часов в сутки согласно второму пункту причин повышения экономической эффективности описанной на предыдущей странице.

Величина S_пот^/ может быть и положительной и это будет означать, что запасать всю неиспользуемую энергию (энергия, которую характеризует площадь, заштрихованная сплошными линиями) полностью утилизировать не представится возможным. Чем больше эта площадь, тем меньше экономическая эффективность типового когенератора. От величины S_пот^/ зависит значение теплового, а следовательно и суммарного КПД когенератора.

, где (6)

Р, Q -вырабатываемая источником электрическая и тепловая энергия соответственно,

Q^/_Sпот - неиспользуемая тепловая энергия, определяемая по графику тепловой нагрузки.

з_р - реальный КПД зависящий не только от конструктивных особенностей когенератора, но и от потребительских свойств потребителя тепла.

S_пот= Q_Sпот

S_пот= S_нв, где (7)

S_пот - площадь характеризующая потери тепловой энергии, связанные с количеством невостребованной потребителем теплом.

, где (8)

Q_Sпот - неиспользуемая тепловая энергия, определяемая по графику нагрузки с учётом возможности её сохранения.

з^/_р - реальный КПД зависящий не только от конструктивных особенностей модернизированного когенератора, но и от потребительских свойств потребителя тепла.

Из выражений (5) и (7), следует, что

Q_Sпот> Q^/_Sпот

И соответственно КПД предложенного устройства будет больше, чем КПД типового когенератора:

з^/_р> з_р

Таким образом, можно сделать выводы:

1. Экономичность предложенного устройства выше на величину пропорциональную количеству запасённой энергии в накопительном баке хладагента и величине допроизведённого с помощью теплового насоса энергии.

2. При выборе в качестве когенератора предложенного устройства необходимо пользоваться параметрами, рассчитанными для модернизированного когенератора (расчётное значение потребляемой тепловой энергии должно соответствовать номинальной тепловой мощности предложенного источника).

3. Было решено две задачи по повышению эффективности применения когенератора, во-первых, КПД предложенного устройства выше на 14 %, чем КПД типового когенератора, во-вторых, с помощью свойств при совмещении ТН и БНХ появляется возможность у потребителя максимально утилизировать тепловую энергию произведённую когенератором.

Для решения третьей задачи связанной с очисткой выбросов в окружающую среду предлагается использовать уже имеющиеся фильтры, либо использовать второе устройство - изобретение.

1.9 Устройства для очистки продуктов сгорания

Владельцы стационарных энергоустановок испытывают возрастающее давление со стороны органов экологического надзора, устанавливающих все более жесткие нормы на вредные выбросы. Известен ряд методов, позволяющих снизить содержание в выхлопных газах загрязняющих веществ, таких как окись углерода, несгоревшее топливо в виде углеводородов и окислы азота (NO_X).

Оборудование двигателя трехходовым каталитическим преобразователем может существенно снизить процент вредных выбросов. Выхлопные газы, проходя через каталитический преобразователь, вступают в контакт со специально подобранным материалом, обработанным катализатором, который вызывает химическую реакцию между продуктами неполного сгорания топлива и окислами азота. В результате в атмосферу уходит выхлоп, состоящий в основном из свободного азота, водяного пара и двуокиси углерода.

Каталитические преобразователи Вокеша являются частью комплекта, включающего в себя так называемую Систему Контроля Катализатора. Это - микропроцессорная система управления, позволяющая непрерывно поддерживать необходимое соотношение воздуха и топлива, которое дает возможность компенсировать изменения окружающей температуры, относительной влажности, скорости, нагрузки, качества топлива и его температуры. Система автоматически поддерживает соотношение воздуха и топлива, оптимальное с точки зрения эффективности каталитического преобразователя и его ресурса. Система Контроля Катализатора совместима с самыми различными типами каталитических преобразователей, поэтому она может поставляться отдельно.

В серии двигателей Вокеша GL заложен другой метод существенного снижения вредных выбросов. В ней применена патентованная форма форкамеры и технология послойного заряда, что позволяет работать на переобедненной смеси. Это дает возможность снизить содержание NO_X на 90% по сравнению с обычными машинами. Тем самым достигается низкий уровень выбросов без применения каталитических преобразователей и других внешних устройств. Использование бедной смеси благоприятно влияет также на топливную экономичность двигателя.

Я предлагаю очищать выхлоп посредством химических реакций замещения:

Выхлопные газы проходят через щёлочь КОН. Происходит химическая реакция:

2КОН + 2NO H₂O + KNO₃ + KNO₂ (8)

Очищенные от оксида азота продукты сгорания попадают в ёмкость удаления оксида углерода. Выхлопные газы проходят через гидрооксид Са(ОН)₂. Происходит химическая реакция:

СО₂ + Са(ОН)₂ H₂O + Са(CO)₃ (9)

Продукты химических реакций накапливаются в отстойниках. После отбора оставшейся тепловой энергии у продуктов сгорания с помощью второго теплового насоса 9 температура выхлопа понизится до температуры конденсации. Конденсация происходит в конденсаторе. Жидкие выхлопные газы собираются в ёмкости сбора конденсации. Воздух не участвующий в горении, но попадающий в камеру сгорания из-за несовершенства процесса смесеобразования, отдаётся окружающей среде.

Таким образом, продукты сгорания проходят тройную очистку. На первом этапе они очищаются от оксида азота, на втором - от оксида углерода и на третьем этапе происходит отделение сконденсировавшей воды с примесями кислот, солей и несгоревшего топлива.

Более подробно работа предложенного устройства для очистки выхлопа (или фильтра) представлена на рисунках 7,8.

7

Таким образом, уже известное устройство рисунок 4 и 5 модернизировано с помощью добавления блоков X и Y рисунок 8.

В блоке X происходит очистка выхлопа от оксидов азота и углерода, а в блоке Y отбор конденсата и сброс его в отстойник (канализация). Фильтр рис 7 снабжён воздушными насосами 17 и 21 для компенсации сопротивления продуктам сгорания, созданным блоками в которых происходит химическая реакция 18 и 23. В блоке очистки от оксидов азота и углерода имеются также баки для хранения реактивов для КОН блок 19, а для Са(ОН)₂ - 22. Для сбора продуктов химических реакций (8) и (9) предусмотрены блоки 17 и 24.

В блоке Y происходит отбор сконденсировавших продуктов сгорания и выброс их в отстойник конденсата, а очищенные газообразные продукты сгорания отдаются окружающей среде.

Качество очистки зависит от совершенства блоков, в которых происходит реакции замещения.

Стоимость такого фильтра не должна быть высокой, так как не требуется электронное оборудование для контроля его работы, как в описанном выше каталитическом фильтре и химические реагенты - гирооксид калия (щёлочь) и гидрооксид кальция (гашённая известь) не имеют большой стоимости. Однако для работы фильтров требуется электроэнергия, а следовательно собственные нужды когенератора в этом случае возрастут (КПД уменьшится).

Заключение

В процессе работы над второй главой было определено:

1. Типовые когенерационные установки имеют ряд недостатков:

- отсутствует возможность накапливать энергию без дополнительных энергозатрат,

- потери тепловой энергии обусловлены отсутствием устройства превращающего низкопотенциальное тепло в энергию с потенциалом достаточным для её утилизации,

- возникающая необходимость в дополнительном источнике тепловой энергии, например пиковой котельной, при ступенчатом графике теплопотребления,

- существующие системы очистки выхлопных газов являются либо дорогостоящими, либо работают не достаточно эффективно, что накладывает ряд ограничений на размещение источников, а, следовательно, ведёт к увеличению потерь на передачу энергии.

2. Способ определение КПД тепловых машин у специалистов разных направлений (электроэнергетики и теплотехники) отличается, что приводит к разногласиям (некоторые теплотехники утверждают, что КПД может быть больше 100%). Поэтому предложено при определении КПД когенератора М пользоваться классическим определением из курса элементарной физики.

3. Модернизация когенератора приведёт к увеличению его стоимости на 15-20%.

4. Суммарный КПД когенератора М повысится на 14.1% при этом электрический КПД понизится на 8,2% за счёт электропотребления компрессора, а тепловой повысится на 22,3%, за счёт более глубокого охлаждения выхлопных газов и выделения скрытой теплоты парообразования. Следует понимать, что это максимально возможное повышение (понижение) КПД при постоянной работе компрессора. Такая ситуация возникнуть не может, так как при работе компрессора происходит запас энергии, которую необходимо в какое-то время отдавать потребителю. Из-за этого изменение КПД когенератора М будет меньше на величину зависящую от ступенчатости графика теплопотребления или средней тепловой мощности потребителя.