Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Poprawa sprawności układów ORC i systemów ..., Egzaminy z Transport

... jaką daje wykorzystanie obiegu Clausiusa-. Rankina, zwanego układem ORC (Organic Rankine Cycle). ... Obieg Clausiusa-Rankine'a różni się więc od obiegu.

Typologia: Egzaminy

2022/2023

Załadowany 24.02.2023

Abraxas88
Abraxas88 🇵🇱

4.6

(23)

115 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Poprawa sprawności układów ORC i systemów ... i więcej Egzaminy w PDF z Transport tylko na Docsity! 794 NAFTA-GAZ wrzesień 2010 ROK LXVI Witold M. Lewandowski, Michał Ryms, Radosław Kołoła, Piotr Kubski, Ewa Klugmann-Radziemska, Piotr Ostrowski Politechnika Gdańska, Wydział Chemiczny, Gdańsk Poprawa sprawności układów ORC i systemów trigeneracyjnych poprzez zastosowanie różnych termodynamicznych wariantów ich działania Zagospodarowanie energii może polegać tylko na jej bezpośrednim wykorzystaniu; w tej samej postaci lub w postaci przetworzonej. Jednocześnie podczas konwersji (procesu przetwarzania) może ona zostać przeniesiona bez zmiany swojej postaci na inny poziom energetyczny (np. niskotemperaturowy strumień ciepła w obiegu pompy ciepła w strumień wysokotemperaturowy) lub zmienić swoją postać w inną. Przykładem może być konwersja energii słonecznej w energię chemiczną biomasy lub energii chemicznej paliw w energię cieplną lub elektryczną. Przeanalizowane i zbada- ne możliwości bezpośredniego zagospodarowania cieplnej energii odpadowej w procesach technologicznych już dawno zostały wprowadzone w życie przez przedsiębiorstwa. Wy- czerpane zostały również możliwości wykorzystania jej na potrzeby socjalne załogi, np.: do ogrzewania pomieszczeń (c.o.) czy przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Możliwości wprowadzenia na teren zakładu innych technologii, charakteryzujących się dużym zapotrzebowa- niem na nisko- i średniotemperaturową energię cieplną, raczej nie należy jednak brać pod uwagę. Trudno bowiem wyobrazić sobie na terenie rafinerii lub w jej bliskim są- siedztwie, kooperujący z nią wielki kombinat warzywniczy z hektarami szklarni lub tuneli foliowych, bądź znajdujące się w niewielkiej odległości od niej duże osiedle miesz- kaniowe. Ze względu na kosztowny transport energii cieplnej, w odniesieniu do nisko- i średniotemperaturowej energii cieplnej, jedynym racjonalnym rozwiązaniem wydaje się jej zagospodarowanie – poprzez konwersję – w energię wysokotemperaturową bądź elektryczną. Odpadowa wysokotemperaturowa energia cieplna jest znacznie łatwiejsza w zagospodarowaniu, dając szereg możliwości wykorzystania jej zarówno w sposób bezpo- średni (wymiennik ciepła, wytwornica pary technologicz- nej, regenerator), jak i pośrednio (turbogenerator, ORC). Wybór optymalnego rozwiązania zależy bowiem od konkretnego strumienia ciepła, gdy nie tylko jego wielkość i entalpia, ale zwłaszcza masowy strumień czynnika oraz jego skład są brane pod uwagę. Jako że zastosowania konwencjonalnych rozwiązań są już dobrze znane, w pracy skupiono się jedynie na przedstawieniu możliwości konwersji energii cieplnej w elektryczną jaką daje wykorzystanie obiegu Clausiusa- Rankina, zwanego układem ORC (Organic Rankine Cycle). Wprowadzenie Analiza układów ORC Dogodny dla rozważań termodynamicznych oraz oce- ny obiegów gazowych obieg Carnota okazuje się mało skutecznym narzędziem porównawczym podczas analizy obiegu siłowni parowych (rysunek 1). Istnieją dwie tego przyczyny. Pierwsza, natury technicznej, wynika z koniecz- ności odprowadzenia ciepła skraplania od pary nasyconej, a następnie podniesienia ciśnienia powstałej pary mokrej o znacznym stopniu zawilżenia. Sprężanie takie należało- artykuły 795nr 9/2010 by prowadzić stosunkowo powoli, w odpowiednio dużej maszynie, aby umożliwić stałe wyrównanie temperatury między cieczą i nasyconą parą suchą. Drugą przyczyną niskiej skuteczności obiegu Carnota przy analizie siłowni parowych jest prawdopodobieństwo uderzenia wodnego podczas sprężania pary mokrej w maszynie tłokowej lub intensywna erozja łopatek maszyny wirnikowej. W tym przypadku, trudności konstrukcyjne uniemożliwiają reali- zację techniczną sprężania pary mokrej nasyconej. Tym- czasem podczas skraplania pary nasyconej – do osiągnięcia stanu cieczy nasyconej – jej sprężanie w temperaturze, przy której następuje kolejne doprowadzenie ciepła, wymaga osiągnięcia bardzo wysokich ciśnień (w przypadku H2O nawet rzędu kilku tysięcy MPa). Stąd rezygnacja z adia- batycznego sprężania cieczy w całym zakresie zmienno- ści temperatury między jej dolnym i górnym poziomem. Uzyskaną podczas skraplania ciecz spręża się za pomocą pompy jedynie do ciśnienia równego ciśnieniu nasycenia na górnej izotermie. • 4–1 – izobaryczne doprowadzanie ciepła – odparowanie cieczy i ewentualne przegrzanie powstałej pary. A zatem kierując się stanem termodynamicznym czyn- nika przed ekspansją, obieg ten może realizować zarówno para nasycona, jak i przegrzana. Obieg Clausiusa-Rankine’a różni się więc od obiegu Carnota jedynie przemianą doprowadzania ciepła. W miej- sce izotermicznego doprowadzania ciepła – jak w obiegu Carnota – zastosowano izobaryczne doprowadzanie ciepła do czynnika, przy czym w pewnym zakresie – podczas zmiany fazowej (parowania) tego czynnika – ma miejsce proces izotermiczny. Obieg C-R uznawany jest zatem za obieg idealny, porównawczy. W rzeczywistej siłowni rozprężanie adia- batyczne przebiega nieodwracalnie (nieizentropowo), zaś podczas przepływu przez wymienniki ciepła następuje strata ciśnienia. Obieg C-R stosowany jest zarówno przy ocenie kon- wencjonalnej siłowni parowej (na parę wodną) zasilanej paliwem organicznym, jak i siłowni jądrowej zasilanej paliwem jądrowym. Może on także służyć ocenie siłowni na inne czynniki parowe (poza parą wodną), którymi mogą Rys. 1. Układ siłowni parowej WP – wytwornica pary, T – turbina parowa, G – generator energii elektrycznej, S – skraplacz, P – pompa Rys. 2. Układ siłowni parowej na parę przegrzaną, w układzie współrzędnych termodynamicznych Belpaire’a (bezwzg. temp. – entropia właściwa) Rys. 3. Układ siłowni parowej w układzie Moliera (entalpia właściwa – entropia właściwa) Świadomość występowania owych trudności wymusiła przy ocenie siłowni parowych zastąpienie obiegu Carnota obiegiem Clausiusa-Rankine’a (obieg C-R) zwanego w li- teraturze anglosaskiej, obiegiem Rankine’a (rysunki 2 i 3). Obieg ten tworzą następujące przemiany: • 1–2 – izentropowe rozprężanie pary nasyconej lub prze- grzanej (rozprężanie czynnika jak w obiegu Carnota), • 2–3 – izobaryczne odprowadzanie ciepła – skraplanie pary (izobaryczno-izotermiczne odprowadzanie ciepła jak w obiegu Carnota), • 3–4 – izentropowe sprężanie powstałej cieczy (sprę- żanie czynnika jak w obiegu Carnota), NAFTA-GAZ 798 nr 9/2010 mniejszy niż w przypadku zastosowania w obiegu RWC. Ogólnie należy zwrócić uwagę, że dla górnej temperatury obiegu, znajdującej się w niskim zakresie, zastosowanie PM nie prowadzi do uzyskania wyższych sprawności w porów- naniu do RWC, jednak dysponując wyższym potencjałem temperatury można oczekiwać, że ηPM > ηRWC. Układy absorpcyjne Możliwa jest współpraca układów absorpcyjnych z sys- temami ORC, w celu realizacji konwersji energii w syste- mach trigeneracji do produkcji energii cieplnej użytkowej, energii elektrycznej i chłodu, bowiem układy absorpcyjne [2, 3] umożliwiają wykorzystanie szerokiego wachlarza temperatur. Wartości współczynnika COP (Coefficient of Performance) w zależności od dysponowanej temperatury zaprezentowano w tablicy 3. w złożu to około 64oC. Poziom zwierciadła wody w otworach czerpalnych stabilizuje się na głębokości 34 m. W zależności od zapotrzebowania na ciepło, natężenie z jednego otworu czerpalnego wynosi 90–170 m3/h. Układ absorpcyjny wykorzystany jest jako pompa ciepła; zwiększając parametry strumienia wody sieciowej o temp. 40oC, której część kierowana jest do absorbera i skraplacza, gdzie zostaje podgrzana do temperatury 78oC. Następnie miesza się ona z wodą sieciową podgrzaną w wymienniku geotermalnym I stopnia. Finalnie, w wy- niku połączenia kilku strumieni – pochodzących z pompy cieplnej z wymiennika I-go stopnia i ekonomizerów – otrzymujemy wodę sieciową o temperaturze ok. 75oC. W zależności od potrzeb można ją skierować „do miasta” lub dalej podgrzewać do temperatury 95oC (w wysokotem- peraturowym wymienniku płaszczowo-rurowym) oraz do temperatury 100oC (w szczytowych kotłach przepływowych gazowych (niskotemperaturowych) wyposażonych w eko- nomizery). Obieg wysokotemperaturowy zbudowany jest z przepływowych wysokotemperaturowych kotłów gazo- wych, wymiennika płaszczowo-rurowego oraz urządzenia absorpcyjnego, pracującego jako pompa ciepła. Podstawowym zadaniem obiegu jest wykorzystanie wody pochodzącej z chłodzenia kotłów gazowych wy- sokotemperaturowych, o temperaturze 160oC, do napędu procesu desorpcji zachodzącego w warniku urządzenia absorpcyjnego. W ten sposób rozwiązany został problem napędu urządzenia absorpcyjnego LiBr-H2O. Rys. 6. Schemat elektrociepłowni geotermalnej w Pyrzycach [4] Tablica 3. Wartość współczynnika COP oraz zakresy temperatur dla układów LiBr-H2O [1] Typ urządzenia COP Zakres temperatur [oC] System „półefektowy” 0,35 80–100 System „jednoefektowy” 0,70 100–120 System „dwuefektowy” 1,1 150–170 System „trójefektowy” > 1,6 170–200 Trafnym przykładem wykorzystania układu absorpcyj- nego w polskich warunkach jest system elektrociepłowni geotermalnej w Pyrzycach, na który składają się trzy obiegi: obieg wody geotermalnej, obieg wody sieciowej i obieg wody wysokotemperaturowej. Głównym elementem ciepłowni geotermalnej jest instala- cja obiegu wody geotermalnej, zbudowana z dwóch otworów czerpalnych GT1 i GT3 oraz dwóch otworów chłonnych GT2 i GT4 (rysunek 6). Głębokość otworów geotermalnych wynosi około 1620 m, natomiast średnia temperatura wody artykuły 799nr 9/2010 W niniejszej pracy wskazano różne warianty zastoso- wania w praktyce układów ORC oraz układów absorpcyj- nych. Przegląd czynników termodynamicznych, a także Literatura [1] CII-Gren Busines Centre: Energy Bulletin on Vapour Ab- sorption Heat Pump. Bulletin 1, September, 2001. [2] http://www.inet.com.pl/geotermia/index.htm [3] Kołoła R., Badur J.: Symulacja pracy chłodniczego układu absorpcyjnego LiBr-H2O z uwzględnieniem wpływu własno- ści roztworu na parametry układu. XIII Sympozjum Wy- miany Ciepła i Masy, Darłówko-Koszalin, 03-06.09.2007. Podsumowanie numeryczna analiza układów skojarzonych, pozwoliły autorom na znacznie bardziej efektywne wykorzystanie tych instalacji. Artykuł nadesłano do Redakcji 18.02.2010 r. Przyjęto do druku 23.06.2010 r. Recenzent: doc. dr inż. Andrzej Froński Praca współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Projekt systemowy Województwa Pomorskiego pn.: „InnoDoktorant – stypendia dla doktorantów, II edycja”. This research work was supported by the European Union in the framework of the European Social Fund. The system project of the Pomorskie Voivodeship „InnoDoktorant – Scholarships for PhD students, II edition”. Prof. Witold M. Lewandowski – ukończył Wy- dział Chemiczny i B.M. Politechniki Gdańskiej. Przewodniczący Rady Programowej Fundacji Poszanowania Energii w Gdańsku, członek Sek- cji Termodynamiki Komitetu Termodyn. i Spa- lania PAN i Polskiego Towarzystwa Pomp Cie- pła. Autor: 8 książek, 73 publikacji, 20 patentów, 111 referatów i 115 opracowań przemysłowych. Mgr inż. Michał RyMS – ukończył studia na Wy- dziale Fizyki Techn. i Matem. Stosow. Politechniki Gdańskiej. Obecnie doktorant na Wydz. Chemicz- nym Politechniki Gdańskiej. Stypendysta programu InnoDoktorant – II edycja. Autor: 3 rozdz. w książ- kach, 20 publik. i referatów, 2 prac badawczych zleconych i 1 zgłoszenia patentowego. Zaintereso- wania – głównie alternatywne źródła energii. [4] Kołoła R.: Numeryczna analiza pracy i porównanie nowo- czesnych układów skojarzonych, pracujących w oparciu o chłodziarkę absorpcyjną LiBr-H20. Chłodnictwo i Kli- matyzacja, 7, 2007. Dr inż. Radosław KOłOłA – absolwent Politech- niki Koszalińskiej. Obecnie pracownik naukowy Wydz. Chemicznego Politechniki Gdańskiej. Dwu- krotny stypendysta „Systemu stypendiów doktoranc- kich wspierających rozwiązania innowacyjne gospo- darki regionu”. Autor artykułów dotyczących wyk. i konwersji energii. Obszar jego zainteresowań obej- muje zagadnienia numerycznej termomechaniki. Dr inż. Piotr KUBSKI – długoletni nauczyciel akademicki Katedry Techniki Cieplnej Politechniki Gdańskiej. Autor licznych publikacji z zakresu kon- wersji energii (na ciepło i/lub energię elektryczną) z zasobów konwencjonalnych i niekonwencjonal- nych, w tym energii odpadowej i odnawialnej, ze szczególnym dorobkiem (także praktycznym) w za- kresie geoenergetyki i stosowania pomp ciepła. Dr hab. Ewa KLUGMANN-RADZIEMSKA – prof. nadzw. Politechniki Gdańskiej; autor/współautor 137 prac naukowych (8 monografii, 2 patentów i 3 zgłoszeń pat.). Prodziekan do spraw Rozwoju Wydz. Chem. Polit. Gdańskiej. Kierownik Katedry Aparatury i Maszynoznawstwa Chemicznego. Pro- wadzi badania dotyczące odnawialnych źródeł energii, recyklingu materiałowego i wymiany ciepła. Mgr inż. Piotr OSTROWSKI – doktorant na Wy- dziale Chemicznym Politechniki Gdańskiej. Autor lub współautor: 2 publikacji z Listy Filadelfijskiej, 12 publikacji z listy MNiSW, 14 referatów konfe- rencyjnych, rozdziału w monografii oraz zgłoszenia patentowego. Stypendysta prestiżowego projektu InnoDoktorant – I edycja. Zainteresowania: eko- energetyka, OZE, fotowoltaika.