ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ
Ф.Н. Тарасенко
Воздушная холодильная машина на основе энергоэффективной вихревой трубы Ранка для обеспечения стационарных и судовых ГТУ охлажденным воздухом
Для повышения КПД и выходной мощности стационарных и судовых
газотурбинных установок (ГТУ) в летний период эксплуатации широко используется
охлаждение воздуха перед его подачей в компрессор ГТУ. Как правило, ГТУ имеют
достаточно постоянный объемный расход воздуха. При снижении температуры
питающего воздуха, увеличиваются его плотность и масса (появляется возможность
сжигать больше топлива), как результат повышается мощность ГТУ.
Охлаждение питающего воздуха на входе в компрессор ГТУ это всегда
затраты вне зависимости от способа его охлаждения, но даже с учетом затрат
можно увеличить выходную мощность установки. Например, снижение температуры
воздуха на входе в компрессор с +38 °С до +6 °С обеспечит возрастание мощности
ГТУ с 78% до 106% от номинала (номинальная мощность ГТУ обычно приводится
для температуры атмосферного воздуха +15°С и относительной влажности 60%).
Охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ используется, прежде всего, в
странах с жарким климатом, например в Ираке (где доля газотурбинных
электростанций в энергетике страны составляет 77%).
ГТУ, работающие при пониженных температурах воздуха на входе, имеют
более продолжительный срок службы из-за снижения износа составных частей и
требуют технического обслуживания в меньшем объеме.
Особенно выгодно осуществлять охлаждение воздуха перед его подачей в
компрессор регенеративной ГТУ. Регенеративный цикл газотурбинной установки –
это такой цикл, в котором тепловая энергия отходящих газов используется для
подогрева сжатого воздуха после ее компрессора (возврат тепловой энергии в цикл
газотурбинной установки).
В этом случае существенно повышается КПД и выходная мощность ГТУ, о
чем говорилось выше, и одновременно с этим повышается степень регенерации
тепла в ГТУ: налицо выгода по двум направлениям. Повышение степени
регенерации тепла объясняется тем, что увеличивается перепад температуры в регенераторе между охлаждаемыми (отходящими) газами и воздухом, поступающим
из компрессора для подогрева.
Величина затрат на охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ в
значительной степени зависит от используемого варианта охлаждения воздуха.
Основных вариантов охлаждения воздуха на входе в компрессор ГТУ два:
охлаждение воздуха хладагентом на входе в компрессор через
теплообменник;
распыление и испарение воды на входе в компрессор (испарительный вариант
охлаждения).
Для реализации варианта охлаждения воздуха на входе в компрессор
хладагентом через теплообменник используются в основном холодильные машины
(ХМ) абсорбционного и парокомпрессионного типа. Абсорбционная ХМ (АБХМ)
безусловно, более экономична (т.к. работает на отходящем тепле ГТУ) однако ее
габариты, сложность устройства и эксплуатации, существенно увеличивают ее
стоимость и как результат срок окупаемости. Парокомпрессионная ХМ, требующая
привода от какого-либо двигателя, существенно проигрывает абсорбционной ХМ в
экономичности. Однако парокомпрессионная ХМ компактнее, проще по конструкции,
она дешевле (быстрее окупается) и более маневренна в работе.
Есть у абсорбционной и парокомпрессионной ХМ два общих недостатка,
которые существенно снижают вероятность использования этого варианта
охлаждения воздуха на входе в компрессор ГТУ:
— во-первых, всегда существует риск утечки хладагента из теплообменника ХМ в
проточную часть компрессора, а это уже экологическая катастрофа местного масштаба. В
связи с риском утечки хладагента в проточную часть ГТУ данные варианты охлаждения
воздуха не пользуются популярностью у Заказчиков. Ввод контура промежуточного
безопасного теплоносителя, например, антифриза, существенно усложняет и удорожает ХМ,
что недопустимо (стоимость ХМ и так высока);
— во-вторых, перед компрессором ГТУ требуется устанавливать теплообменник, что
повышает гидравлическое сопротивления проточной части ГТУ (это снижает ее КПД и
мощность), увеличивает габаритные размеры ГТУ, ее стоимость и срок окупаемости.
А в чем особенности испарительного варианта охлаждения воздуха на входе
в компрессор ГТУ? Это, прежде всего относительная дешевизна данного варианта охлаждения воздуха, которая предопределила его достаточно широкое
распространение в странах с жарким климатом. Однако при этом испарительный
вариант охлаждения воздуха на входе в компрессор ГТУ имеет массу неустранимых
недостатков. Например, требуется большое количество пресной воды,
соответственно рядом с ГТУ должен быть достаточно мощный ее источник,
требуется водоподготовка, чем выше относительная влажность атмосферного
воздуха, тем хуже охлаждение на входе в компрессор и т.д. Вследствие этого
данный способ повышения КПД и выходной мощности используется в основном в
стационарных ГТУ.
Таким образом, существующие в настоящее время варианты охлаждения
воздуха на входе в компрессор ГТУ не решают в полной мере проблемы, которые
существуют при эксплуатации и проектировании стационарных и судовых
газотурбинных установок.
Предлагается новый и перспективный вариант охлаждения
воздуха на входе в компрессор регенеративной ГТУ судового и
стационарного размещения за счет использования воздушной
холодильной машины (ВХМ) на основе энергоэффективной вихревой
трубы Ранка (ЭЭВТР).
ВХМ на основе ЭЭВТР позволит осуществить недорогой, доступный,
эффективный и безопасный способ охлаждения воздуха на входе в компрессор
стационарных и судовых ГТУ как новых (проектируемых) так и находящихся в
эксплуатации.
Основные достоинства ВХМ на основе ЭЭВТР для обеспечения стационарных
и судовых ГТУ охлажденным воздухом заключаются в следующем:
— для начала самое главное - энергоэффективность (коэффициент EER) ВХМ на
основе ЭЭВТР на данный момент находится на уровне не ниже энергоэффективности
парокомпрессионной ХМ. В основном высокий коэффициент EER парокомпрессионной ХМ обеспечивает процесс фазового перехода ее рабочего тела. А высокий коэффициент EER
воздушной ХМ обеспечивает нестандартный, но совершенный газодинамический процесс,
протекающий в ЭЭВТР. Совершенство газодинамического процесса в проточной части
ЭЭВТР достигается за счет существенного снижения необратимости процессов
происходящих в ней;
— ВХМ на основе ЭЭВТР может иметь требуемую холодопроизводительность,
величина которой определяется только производительностью выбранного компрессора.
Соответственно геометрические размеры ЭЭВТР будут зависеть только от расхода воздуха
(диаметр ЭЭВТР может быть, например, 100 мм, 200 мм, 300 мм, 400 мм и более, что
нереализуемо в классических вихревых трубах Ранка в принципе);
— ВХМ на основе ЭЭВТР экологически совершенно безопасна, т.к. рабочим и
охлаждаемым телом (одновременно) является атмосферный воздух;
– в ВХМ отсутствует теплообменник перед компрессором ГТУ (соответственно не
увеличивается гидравлическое сопротивление компрессора ГТУ), охлажденный воздух
подается непосредственно в проточную часть компрессора ГТУ. Как результат ГТУ и ее
компрессор не требуют доработок. ВХМ на основе ЭЭВТР может использоваться на уже
работающих стационарных и судовых ГТУ;
— ВХМ существенно проще конструктивно и меньше по стоимости (соответственно по
времени окупаемости) чем абсорбционная и парокомпрессионная ХМ (в ВХМ используется
только один теплообменник – внешний). Минимальные эксплуатационные расходы, т.к.
используется компрессор с низким перепадом давления (перепад давления между его
входом и выходом составляет величину ~1,2 бар);
— ВХМ имеет относительно небольшую массу, отсутствуют тяжелые и
несбалансированные вращающиеся детали и соответственно не требуется тяжелый
(дорогостоящий) фундамент.
На рисунках 1 и 2 представлены варианты реализации ВХМ на основе ЭЭВТР
для охлаждения воздуха на входе в компрессор стационарной ГТУ.
В варианте реализации ВХМ на основе ЭЭВТР показанном на рисунке 2
используется компрессор общепромышленного назначения, что вполне допустимо
на стадии доводки или апробирования ВХМ.
Схема реализации ВХМ показанная на рисунке 3 может быть использована
для охлаждения воздуха на входе в компрессор судовой ГТУ. В этом случае
охлаждение воздуха в противоточном теплообменнике следует осуществлять за
счет использования забортной воды.
Рисунок 1. Схема ВХМ на основе ЭЭВТР для обеспечения стационарной ГТУ охлажденным воздухом (с термостойким компрессором)
1 - отводящая вертикальная труба (увеличивает расход охлаждающего воздуха за счет усиления естественной тяги);
2 - теплообменник; 3 - продувочный вентилятор; 4 - воздушный компрессор низкого давления (безмасляный) с избыточным
давлением на выходе 1,0 . 1,2 бар; 5 - вентилятор (опция);
6 - ЭЭВТР; 7 - подача воздуха от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ);
8 - входное устройство ГТУ (вход воздуха в ГТУ); 9 - магистраль холодного воздуха в теплозащитном покрытии;
10 - датчик температуры, управляющий работой продувочного вентилятора.
Рисунок 2. Схема ВХМ на основе ЭЭВТР для обеспечения стационарной ГТУ охлажденным воздухом (с компрессором общепромышленного назначения)
1 - отводящая вертикальная труба (увеличивает расход охлаждающего воздуха за счет усиления естественной тяги);
2 - теплообменник; 3 - продувочный вентилятор;
4 - воздушный компрессор низкого давления (безмасляный) общепромышленного назначения с избыточным давлением на выходе 1,0...1,2 бар;
5 - вентилятор (опция); 6 - ЭЭВТР;
7 - подача воздуха от комплексного воздухоочистительного устройства (КВОУ);
8 - входное устройство ГТУ (вход воздуха в ГТУ); 9 - магистраль холодного воздуха в теплозащитном покрытии;
10 - датчик температуры, управляющий работой продувочного вентилятора.
Рисунок 3. Схема ВХМ на основе ЭЭВТР для обеспечения судовой ГТУ охлажденным воздухом (с термостойким компрессором)
1 - забор и сброс забортной воды;
2 - циркуляционный насос;
3 - противоточный теплообменник;
4 - воздушный компрессор низкого давления (безмасляный) с избыточным
давлением на выходе 1,0...1,2 бар;
5 - циркуляционный вентилятор (опция);
6 - ЭЭВТР;
7 - подача воздуха от воздухоочистительного устройства (ВОУ);
8 - входное устройство ГТУ (вход воздуха в ГТУ);
9 - магистраль холодного воздуха в теплозащитном покрытии;
10 - датчик температуры, управляющий работой циркуляционного насоса.
В последнее время в научно-технической литературе и других источниках
информации активно обсуждается проблема повышения единичной мощности и КПД
стационарных и судовых ГТУ. И один из вариантов ее решения – это создание
судовых двигателей детонационного горения.
Утверждается, что двигатели детонационного горения гораздо экономичнее и
имеют более высокую удельную объемную мощность по сравнению с классическими
судовыми установками. Главная цель этих изысканий – экономия топлива. Судя по
идущему обсуждению темы проблем больше, чем успехов. И дата окончания работ
даже не просматривается. А существенно экономить на топливе требуется уже
сейчас. Ведь затраты на топливо в стационарных и судовых ГТУ очень большие.
Перспективная реальность.
Предлагаемая воздушная холодильная машина на основе ЭЭВТР может уже
сейчас решить проблемы повышения экономичности и выходной мощности
стационарных и судовых ГТУ.
От автора
Работа над ЭЭВТР носит коммерческую направленность. Поэтому
при наличии серьезных предложений от организаций (фирм), будет рассмотрен
вопрос продажи информации о содержании физической модели вихревого процесса,
происходящего в ЭЭВТР и о конструкции ее новых элементов.
Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также, заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.
Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва). Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.
Головной сайт:
Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Интернет-газета зарегистрирована Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М.
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
, 216 Кб) ...