УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ С ПОМОЩЬЮ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

UTILIZATION OF GAS TURBINE POWER PLANT’S EXHAUST GASES BY

STIRLING ENGINE

Ключевые слова: комбинированная силовая установка, газотурбинный двигатель, двигатель Стирлинга, термодинамические циклы, коэффициент полезного действия, теплообменник

Keywords: combined power plant, gas turbine engine, Stirling engine, thermodynamic cycles, efficiency, heat exchanger

Исследованы возможности реализации действительных циклов комбинированных силовых установок, включающих газотурбинные двигатели и двигатели Стирлинга. Предложена принципиальная схема силовой установки. Проведен анализ термодинамических циклов, определены зависимости для вычисления их основных параметров. На основе полученных результатов дана количественная оценка степени использования теплоты продуктов сгорания газотурбинного двигателя для работы двигателя Стирлинга. Определены значения его КПД, мощности и КПД комбинированных установок в целом. Предложен тип теплообменника и теплоноситель, определены оптимальные его параметры из условия максимального КПД установки. Даны предложения по применению таких силовых установок в составе транспортных средств.

The article researches a feasibility of real cycles of combined power plants including gas turbine engines and Stirling engines. The variant of construction concepts of such power plants has been considered. The analysis of thermodynamic cycles has been performed, the dependences to calculate their basic parameters has been founded. Based on the research results quantify the heat utilization degree of the combustion products of a gas turbine engine for the Stirling engine has been given. Stirling engine’s efficiency, power and combined power plant’s efficiency in general has been identified. The heat exchanger’s type and heat transfer agent has been proposed, the optimal parameters by conditions of maximum efficiency of the plant has been identified. Proposals for the application and the empowerment of such power plants as part of the vehicles has been offered.

Формулировка проблемы. С каждым годом увеличивается интерес к комбинированным (гибридным) силовым установкам (КСУ). Это вызвано как проблемами экологической чистоты транспорта, так и вопросами снижения удельного расхода топлива. В качестве составляющих КСУ представляют интерес не только двигатели внутреннего сгорания (ДВС), но и внешнего, из которых наиболее перспективным с точки зрения высокого КПД, возможности работы на любом виде топлива с его полным сгоранием (следовательно, с минимальными выбросами вредных веществ) является двигатель Стирлинга (ДС). Способность работать на любых видах топлив позволяет использовать его в составе КСУ с другими двигателями внутреннего или внешнего сгорания, к примеру, газотурбинным (ГТД), отработавшие газы которого могут быть использованы как источник теплоты для работы ДС.

Цель. Работа посвящена анализу возможностей комбинированных силовых установок, включающих ГТД и ДС, с анализом их теоретических и действительных термодинамических циклов, определением основных параметров установки и ее составляющих, и предложениями по их конструктивной реализации.

Основная часть. Известны работы по использованию теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, работающих как по циклу Отто [1, с. 35], так и дизелей [2, с. 7], для небольших вспомогательных двигателей Стирлинга. КПД и мощность их невелики, но в целом энергоэффективность такой КСУ повышается, так как продукты сгорания относятся ко вторичным тепловым ресурсам. В комбинированных парогазовых установках теплота отработавших газов ГТД используется в для получения пара, работающего в дополнительной паровой турбине.

Схема предлагаемой КСУ предполагает, что источником теплоты для работы двигателя Стирлинга являются уходящие газы газотурбинного двигателя (рис.1,а). Температура газов ГТД за турбиной находится в пределах 400-700°С. Для нагревателей высокоэффективных ДС эти температуры сравнительно низки, но достаточны для обеспечения работы таких двигателей [3, с. 34,35]. Применив для отбора теплоты этих газов рекуперативный теплообменник «газ- жидкость», можно с высокой эффективностью обеспечить передачу теплоты нагревателю ДС.

На рис. 1,6 изображен идеальный цикл работы такой КСУ и циклы составляющих ее двигателей. Суть комбинирования состоит в объединении цикла ГТД, который является основным, с «надстраиваемым» циклом двигателя Стирлинга. Верхняя часть цикла 12341 представляет собой цикл газотурбинной части (рассматривается цикл с подводом теплоты при постоянном давлении), при этом в процессе отвода теплоты 41 часть ее передается нагревателям многоцилиндрового двигателя Стирлинга в изобарном процессе 47. Поскольку в цикле Стирлинга подвод теплоты должен быть изотермическим, при последовательной передаче теплоты нескольким нагревателям ДС его можно представить как несколько изотерм со ступенчатым снижением температур от Та до Ti (пунктирные линии на рис.1,а). Температура охладителя ДС составляет Ts, отвод теплоты осуществляется по изотерме 56. Таким образом, температурный перепад для цилиндров ДС последовательно снижается, но на работу многоцилиндровых двигателей это не оказывает существенного влияния.

Схема комбинированной установки с утилизацией теплоты отводимых газов (а) и цикл его работы (б)

Рисунок 1 - Схема комбинированной установки с утилизацией теплоты отводимых газов (а) и цикл его работы (б):

1 — компрессор ГТД; 2 — камера сгорания ГТД; 3 — топливный насос; 4 — турбина компрессора; 5 — силовая турбина; 6 — нагреватель; 7 — двигатель Стирлинга; 8 - контур промежуточного теплоносителя; 9 — нагрузки двигателей.

Теплота и работа идеального цикла такой комбинированной установки определяется зависимостью

где ср - изобарная удельная теплоемкость рабочего тела.

Температуры Тг и Та вычисляются из известных зависимостей для цикла ГТД при заданных значениях Т и Тъ [4, с. 87,88]. Температуру Ti находят из соотношения Т74- ju(T4-T5). Коэффициент р характеризует долю теплоты уходящих газов ГТД, используемую для работы двигателя Стирлинга. Поскольку данная схема комбинированной установки предусматривает, по существу, утилизацию теплоты уходящих газов ГТД, параметр именуется в дальнейшем коэффициентом утилизации. При полной утилизации ju=l.

КПД комбинированной СУ находится в соответствии с выражением

При получении выражений (1) и (2) КПД двигателя Стирлинга определен как КПД регенеративного цикла Карно (в предположении полной внутренней регенерации). Из (1) и (2) следует, что работа цикла (1Ц) и КПД комбинированной установки непрерывно возрастают с увеличением параметра /л. Расчеты показали, что даже при сравнительно небольших величинах КПД ДС (это объясняется малыми соотношениями температур их нагревателей и охладителей) увеличение работы (соответственно, и мощности) СУ при /л—> составляет 11... 19% в зависимости от температуры газа за турбиной Та. КПД установки для идеальных циклов при этом возрастает с 0,575 до 0,64.. .0,68.

Передача теплоты к нагревателям ДС осуществляется с помощью рекуперативного теплообменного аппарата. В транспортных ГТД с регенерацией в таких случаях на выходе из турбины устанавливают трубчатый теплообменник, в котором теплоотдача осуществляется при поперечном обтекании трубного пучка отводимыми газами [5, с. 418-422]. Внутри этих трубок движется воздух, сжатый в компрессоре. Для нагревателей ДС такой подвод теплоты затруднен по причине высокого (до 20 МПа) давления во внутреннем контуре, что требует применения массивных толстостенных трубок. Кроме того, внутренний объем нагревателя двигателя Стирлинга для обеспечения высокого КПД должен быть соизмерим с рабочим объемом его цилиндра [6, с. 94-97], поэтому такой вариант теплопередачи в целом неприемлем.

Эффективную передачу теплоты нагревателям ДС при практически неограниченном внутреннем объеме промежуточного теплообменного контура позволяет использование в этом контуре жидкометаллического теплоносителя. Это дает возможность обеспечить необходимые оптимальные внутренние объемы нагревателей ДС при их последовательном подключении со второй стороны промежуточного контура. Наиболее приемлемым теплоносителем является натрий-калиевый сплав (25%Na+75%K) [7, с. 160] с температурой плавления -11°С. Плотность этого сплава примерно в 15 раз меньше плотности ртути при хороших теплофизических характеристиках, что позволяет значительно снизить гидравлические потери при циркуляции его в контуре. Кроме того, повышается экологическая безопасность (в сравнении с вариантом применения ртути) даже при утечках и авариях установки.

Значения работы и КПД действительных циклов предлагаемой установки, с учетом внутренних и внешних потерь, существенно меньше вышеприведенных расчетных значений, полученных в предположении реализации идеальных циклов.

Количественная оценка параметров действительных циклов и предлагаемой установки проведена для ГТД мощностью 1000 кВт со степенью повышения давления 20 и температурой газа перед турбиной 1500 К. Расчет параметров ее цикла по традиционным методикам [7, с. 417,418] показал, что температура газа за турбиной и при этом составляет около 540°С. Температура охладителя ДС была принята равной +85°С. Скорость потока уходящих газов составляет 50 м/с при размерах выходного канала - 400^400 мм. В теплообменнике применяется шахматная схема расположения трубок, их наружный диаметр составляет 6 мм, внутренний - 5 мм. Путем подбора продольного Si и поперечного 5*2 шагов расположения трубок (см.рис.2), а также их числа (эти параметры включаются в число оптимизируемых в программу) можно обеспечить различные значения мощности и КПД двигателя Стирлинга, работающего за счет теплоты отводимых из ГТД газов. В качестве основного оптимизируемого параметра принят КПД комбинированной установки.

Исследования и вычисления параметров двигателя Стирлинга осуществлялись на основе адиабатной модели его цикла методом замкнутой оптимизации [8, с. 189]. Программы расчетов и оптимизации реализованы на языке программирования С++. Этот же метод использован и для оптимизации параметров

зо комбинированной установки в целом. В процессе расчетов вычислялись и минимизировались тепловые, гидравлические и механические потери во всех ее узлах и элементах.

Результаты показали, что при коэффициенте утилизации теплоты //=0,2 обеспечивается работа дополнительного ДС с эффективной мощностью ~87 кВт при его КПД, равном 0,224. Тогда суммарная мощность комбинированной установки составляет -1087 кВт при значении ее приведенного КПД 0,328. В теплообменнике при этом необходима установка 2000 трубок с вышеперечисленными параметрами.

Схема расположения трубок теплообменника

Рисунок 2 - Схема расположения трубок теплообменника

Дальнейшее увеличение // до 0,3 позволяет довести мощность ДС до -112 кВт, однако его КПД при этом снижается до 0,193. Суммарная же мощность комбинированной установки при этом достигает уже 1112 кВт, т.е. возрастает более чем на 10% при КПД, равном 0,336, однако это требует установки «перерасширенного» двигателя Стирлинга, то есть его габариты возрастают. Необходимое число трубок в теплообменнике при этом составляет 2700 шт. Учитывая, что эффективный КПД исходного ГТД составляет 0,302, можно прийти к выводу, что утилизация теплоты его продуктов сгорания с помощью двигателя Стирлинга дает ощутимый эффект, причем для достижения этого не требуется дополнительных затрат топлива.

Исследования также показали, что при необходимости повышения компактности установки возможно существенное уменьшение размеров теплообменника. Так, при снижении числа трубок с 2700 до 1500 КПД установки понижается всего до 0,330 при падении суммарной мощности до 1091 кВт.

Применение таких установок в транспортных средствах представляется наиболее приемлемым в силовых агрегатах водного транспорта. Это обусловлено тем, что температура охладителя двигателя Стирлинга существенно влияет на его мощность и КПД (увеличивается отношение температур нагревателя и охладителя). При отводе теплоты от ДС забортной водой возможно снизить температуру охладителя до +40°С, что позволяет увеличить мощность в большей степени, чем при использовании КСУ в наземном транспорте. Из этого же следует, что параметры окружающей среды оказывают значительное влияние на характеристики комбинированной установки, и это следует учитывать при их конструировании.

Выводы.

  • 1. Использование теплоты уходящих газов ГТД для работы ДС повышает КПД комбинированной силовой установки. Для эффективной работы двигателя Стирлинга температура уходящих газов должна превышать 700 К.
  • 2. Ступенчатый подвод теплоты уходящих газов ГТД к нагревателям многоцилиндровых двигателей Стирлинга обеспечивает достаточно эффективное ее использование при существенном повышении КПД как самого ДС, так и комбинированных установок в целом.
  • 3. Передача теплоты нагревателю ДС с высокой интенсивностью обеспечивается с помощью промежуточного теплообменника с жидко-металлическим теплоносителем (сплав NaK).
  • 4. Путем подбора количества, поперечного и продольного шагов расположения трубок теплообменника удается в процессе оптимизации получить требуемые значения КПД и мощности КСУ, близкие к максимальным.
  • 5. Предлагаемые схемы комбинированных двигателей могут быть рекомендованы для применения в силовых установках транспортных средств, преимущественно, водного транспорта.

Библиографический список

  • 1. McGovern, J., Cullen, В., Feidt, М., Petrescu, S. Validation of a simulation model for a combined Otto and Stirling cycle power plant. - ASME 2010 4th International Conference on Energy Sustainability, ES 2010, Volume 2, Phoenix, Arizona, USA, May 17-22, 2010. - Paper No . ES2010-90220, pp.35-43.
  • 2. Дуюн В.И. Применение двигателя Стирлинга для обеспечения автономности тепловых генераторов мобильной техники [Текст] : дис. ...канд. техн. наук : 05.04.02. / В.И. Дуюн. - Челябинск, 1997. - 149 с. - Библиогр.: с. 137-149.
  • 3. Уокер Г. Двигатели Стирлинга [Текст] : Пер с англ. / Г. Уокер. - М. : Машиностроение, 1985. - 408 с.
  • 4. Теплотехника [Текст] : учебник для студентов втузов / А.М.Архаров [и др.]. - М. : Изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2004. - 712 с.
  • 5. Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей [Текст] / А.Л. Клячкин. - М. : Машиностроение, 1969. - 512 с.
  • 6. Горожанкин С.А. Машины Стирлинга [Текст] : параметры рабочих процессов. - Макеевка : ДонГАСА, 2003. - 208 с.
  • 7. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент [Текст] : Справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М. : Энергоатомиздат, 1982. - 512 с.
  • 8. Горожанкин С.А. Определение параметров действительных циклов двигателей Стирлинга на основе их адиабатной модели [Текст] / С.А. Горожанкин // Сучасне промислове та цившьне буд1вництво, 2006. - т. 2, № 4. - С. 187-194.

© Горожанкин С.А., Чухаркин А.В., 2015

УДК 629.432.3 Горчаков Ю.Н.

канд. техн. наук, доцент кафедры транспортных машин и транспортнотехнологических процессов Дальневосточного федерального университета, РФ Клушин А.В.

студент 4 курса Инженерной школы Дальневосточного федерального университета, РФ

DOI 10.12737/13835

Gorchakov Yu.IS

Ph.D., associate professor of transport vehicles and transport and technological processes of Far Eastern Federal University, Russian Federation

Klushin A.

4th year student of the Engineering school, Far Eastern Federal University, Russian Federatio

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >