Увеличение стоимости углеводородных энергоресурсов и рост
advertisement
ЦИКЛ МАЙСОЦЕНКО И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УКРАИНЕ A. ХАЛАТОВ*, И. КАРП**, Б. ИСАКОВ*** Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев Институт Газа НАН Украины, Киев *** Государственное предприятие Научно-производственный комплекс газотурбостроения, Николаев * ** Быстрый рост стоимости углеводородов и прогрессирующее загрязнение окружающей среды заставляют человечество искать альтернативные источники энергии. Одним из потенциальных и практически неисчерпаемых источников энергии, который имеется практически в любой точке мира, является энергия влажного атмосферного воздуха, состоящего из смеси сухих газов и водяного пара. При адиабатическом испарении воды в воздух на ее фазовый переход затрачивается собственная энергия воздуха, что приводит к понижению его температуры. Температурная неравновесность в форме разности температур влажного воздуха атмосферы и воздуха, контактирующего с испаряющейся водой (психрометрическая разность температур, или разность температур сухого и мокрого термометров), может быть использована в качестве энергетического ресурса. До исследований американского ученого, бывшего гражданина Украины Майсоценко, эта разность, ввиду ее малости, практически не могла быть использована. В работах Майсоценко было показано, как может быть создана и использована на практике высокая психрометрическая разность температур. В статье рассматриваются возможные приложения цикла Майсоценко в Украине, в частности в энергетических и тепломассообменных технологиях, а также в газотурбостроении, которое является ведущей отраслью промышленности страны. Ключевые слова: Косвенно-испарительное охлаждение; мокрый термометр, точки росы, психрометрическая диаграмма; газовые турбины 1. Введение Высокая психрометрическая разность температур может быть реализована в аппарате косвенно-испарительного охлаждения при противоточном или перекрестноточном течении воздуха (газа) в системе сухих и влажных каналов. Процессы тепло - и массообмена, протекающие в таком аппарате, близки к термодинамически обратимым процессам, что позволяет получить максимальный эффект охлаждения воздуха при минимальных затратах энергии. Теоретическим пределом охлаждения влажного воздуха в традиционном аппарате испарительного охлаждения является температура влажного термометра охлаждаемого воздуха, а в противоточном аппарате косвенно-испарительного охлаждения - температура точки росы. Некоторые данные, характеризующие климатические условия в городах Европы, в летнее время приводятся ниже [13]; Копенгаген (Дания): температура мокрого термометра (ТМТ) - 17.30C, температура точки росы (ТТР) - 13.50C; Лондон (Великобритания): ТМТ – 200C, ТТР – 14.60C; Катания (Италия): ТМТ – 21.60C, ТТР – 16.20C; Измир (Турция): ТМТ – 20.40C, ТТР – 12.50C; Kиев (Украина): ТМТ - 18.90C, ТТР - 150C (July 25, 2012). Несмотря на небольшую разницу между этими температурами, она представляет значительный потенциал для использования в различных приложениях. Основываясь на теоретических положениях термодинамики влажных потоков, проф. В. Майсоценко (США) предложил и запатентовал в различных странах новый термодинамический цикл, известный сегодня как цикл Майсоценко (Maisotsenko Cycle), или М-цикл (М-Cycle). Этот цикл открыл путь использования психрометрической разности температур в энергетических и тепломассообменных устройствах [12, что позволило Майсоценко и его коллегам создать новые эффективные устройства тепло- и массообмена возобновляемой и традиционной энергетики с высокими техникоэкономическими показателями, которые выпускаются серийно [3 - 8]. 6 точки росы Рис. 1 Схема элементарной ячейки аппарата косвенно-испарительного охлаждения (обозначения точек 1, 3, 4, 6 показаны на рис. 2) [1, 2]. Схема противоточного аппарата косвенно-испарительного охлаждения воздуха с двумя независимыми потоками показана на рис. 1 [5-8]. Внешний воздух, попадая в сухой рабочий канал, охлаждается за счет контакта с обратной стороной рабочего влажного канала. Во влажном канале температура воздуха, контактирующего с влажной стенкой, снижается, на что затрачивается скрытая теплота испарения воды. Температура стенки влажного рабочего канала при этом также снижается. При идеальных условиях поток на входе во влажный рабочий канал достигает насыщенного состояния (температуры точки росы) (т.3, рис. 1). При движении по длине рабочего влажного канала воздух сохраняет насыщенное состояние, его абсолютная влажность, а также энтальпия возрастают, а температура поверхности канала снижается. Это используется для охлаждения воздуха в сухом канале охлаждения - в пределе до точки росы входящего воздуха. Таким образом, в обеих «сухих» каналах воздух охлаждается за счет испарения воды (скрытая теплота 2 испарения), причем движущей силой процесса является психрометрическая разность температур. Идеальный цикл Майсоценко представлен на рис. 2 линией 1–3–4 [1-3, 5, 8]. Здесь: 1-3 - охлаждение воздуха в сухом рабочем канале; 3-4 – нагрев и увлажнение воздуха во влажном рабочем канале. Как следует, при начальной температуре воздуха 1600F (≈710С) абсолютная влажность воздуха в М-цикле увеличивается от 0.025 до 0.53 кг/кг, т.е. возрастает более чем в 20 раз. Эффект охлаждения воздуха в сухом канале охлаждения определяется разностью температур в точках 6 и 5. Цикл Майсоценко может быть эффективно использован во многих климатических зонах мира кроме зоны тропиков и субтропиков. Как следует из рис. 2, чем больше температура входного воздуха, тем больший эффект охлаждения достигается в сухом канале охлаждения. При высокой влажности воздуха для повышения эффективности Мцикла может быть использована осушка входного воздуха. В реальных условиях охлаждение воздуха в сухом рабочем канале характеризует линия 1-2, а линия 2-3’-8 – нагрев и увлажнение воздуха во влажном рабочем канале. 5 6 Температура сухого термометра, F 0 Рис. 2. М-цикл на психрометрической диаграмме [1, 2]. Традиционное испарительное охлаждение (увлажнение воздуха) характеризуется линиями 6-7 (идеальный процесс) и 6-9 (реальный процесс). Таким образом, достигаемая в идеальном М-цикле влажность потока более чем в 6.5 раз больше, чем при традиционной схеме испарительного охлаждения (0.025…0.08 увеличивается только в 3.2 раза. 3 кг/кг; рис. 2), где влажность Исследования М-цикла показали, что при одинаковых параметрах внешнего воздуха степень термодинамического совершенства противоточной схемы косвенно- испарительного охлаждения (коэффициент неидеальности) в среднем в 2.5 раза выше, чем у традиционных схем охлаждения. Энергетическая эффективность такой установки (отношение холодопроизводительности к затратам энергии на транспортировку воздуха) существенно выше холодильного коэффициента традиционных установок. Экспериментальные исследования также подтвердили, что температура воздуха на выходе из сухого рабочего канала близка к температуре точки росы, а на выходе из влажного канала – к температуре мокрого термометра. Основные безопасность, преимущества высокая эксплуатационные установок экономичность, затраты, на основе низкая конструктивная М-цикла удельная простота. - экологическая стоимость, Поскольку небольшие все процессы происходят при атмосферных условиях, то не возникает проблемы герметизации установки. Наиболее важным преимуществом является отсутствие компрессора и холодильного агента. Для обеспечения равномерного смачивания поверхности влажного канала, используется материал типа целлюлоза с высокой теплопроводностью в поперечном направлении, который действует как капиллярный фитиль. Отметим, что для хорошего смачивания поверхности требуется небольшое количество воды, причем температура жидкости не оказывает значительного влияния на величину эффекта охлаждения воздуха в сухом канале охлаждения. Это обусловлено тем, что главную роль в процессах тепло- и массопереноса во влажном рабочем канале играет скрытая теплота испарения. Цикл Майсоценко может быть использован не только в холодильных циклах, большая разность плотности охлаждаемого и нагреваемого воздуха в противоточном аппарате косвенно-испарительного охлаждения может быть использована как движущая сила (разность потенциалов) в энергетических и тепломассообменных технологиях. Поскольку в устройствах на основе М-цикла используется потенциальная энергия влажного воздуха атмосферы, то стоимость производимой энергии существенно меньше по сравнению с другими технологиями возобновляемой энергетики и соизмерима со стоимостью энергии, получаемой при сжигании природных углеводородов. 2. М-цикл в промышленности Украины Практическое использование М-цикла охватывает ряд энергетических и тепломассообменных технологий [5-8]. В настоящее время на рынке представлены кондиционеры (испарительные, солнечные, гибридные), охладители воздуха на входе в газовую турбину, солнечные генераторы электричества с охлаждающей системой на основе М-цикла. В стадии пилотного проектирования охлаждающие башни (градирни), 4 увлажнители воздуха, установки для получения пресной воды из промышленных жидкостей и морской воды. Впервые цикл Майсоценко был использован Компанией «Coolerado Corporation» (Денвер, штат Колорадо; США) при создании кондиционеров нового поколения, которые выпускаются серийно в США, Индии, Австралии. Акт Национальной Лаборатории источников возобновляемой энергии США (NREL) подтверждает [9], что кондиционеры на основе М-цикла проще конструктивно, они потребляют почти в 10 раз меньше электрической энергии, чем традиционные кондиционеры компрессионного цикла. Кроме того, такие кондиционеры на 100% используют чистый воздух окружающей среды, в то время как традиционные кондиционеры из экономических соображений на 85% работают на рециркулируемом (уже использованном) в помещении воздухе. Исследование, выполненное в работе [2], показало, что максимальная (19.14%) и минимальная (8.45%) эксергетическая эффективность цикла Майсоценко соответствует температуре окружающей среды 23.880С и 100С, соответственно. Большое распространение в Украине могут получить солнечные кондиционеры, использующие противоточный аппарат косвенно-испарительного охлаждения с вентилятором атмосферного воздуха, работающим от солнечной батареи малой мощности. Солнечный кондиционер «Coolerado Cooler R600» (США) использует только 3 солнечные батареи электрической мощностью 200 Вт каждая, которые питают кондиционер на основе М-цикла, охлаждающий помещение площадью 225 м2. Традиционный компрессионный кондиционер требует для этого 20…30 батарей, или 4…6 кВт мощности. Большой практический интерес для Украины представляют гибридные кондиционеры, сочетающие традиционный компрессионный кондиционер с аппаратом косвенно-испарительного охлаждения, что позволяет снизить энергопотребление традиционных кондиционеров на 80%. Охлаждение солнечных батарей устройствами на основе М-цикла используется в кондиционерах компании «Coolerado» (США), в результате чего суммарная эффективность установки возрастает с 12…15% до 30…32%. В ближайшей перспективе М-цикл может найти широкое применение в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, топочных горелках, конденсаторах воды высокого давления и высокой температуры, системах кондиционирования автомобилей, нагревателях воды, высокотемпературных печах, промышленных печах, системах с термохимической рекуперацией топлива. Например, постановка керамического рекуператора косвенно-испарительного охлаждения на выходе из автомобильного двигателя, где температура составляет от 540 до 9800С, позволит утилизировать не только выхлопную теплоту и паров воды, содержащихся в продуктах сгорания, но и теплоту, отбираемую в системе охлаждения двигателя, что в пределе позволит отказаться от использования радиатора. Значительное 5 снижение «нижней» температуры термодинамического цикла и регенерация теплоты могут существенно (до 55…60%) повысить КПД тепловых двигателей, который сегодня составляет около 30%. Официальное тестирование, выполненное Центром Дэвиса Калифорнийского университета (США), показало, что сжигание жидкого топлива в воздухе высокой влажности (30…40%), позволяет на 80% снизить его расход и на порядок снизить вредные выбросы в окружающую среду. Рис. 3 Энергетическая башня на основе цикла Майсоценко. Очень часто лимитирующим фактором во многих технологических процессах является температура холодной воды, для охлаждения которой используется охлаждающая башня (градирня). Известно, чем холоднее вода, тем лучше протекает конденсация в аппаратах химической технологии и энергетики. Недостаточно низкий вакуум в конденсаторах электростанций вследствие недостаточного охлаждения воды в градирне приводит к снижению КПД электростанции и повышенному расходу топлива на выработку единицы энергии. В своем большинстве промышленные градирни основаны на использовании прямого испарительного охлаждения воды в контактных аппаратах. Температура охлажденной воды в этом случае ограничена температурой мокрого термометра охлаждающего воздуха, т.е. такие градирни наиболее эффективны в районах с сухим климатом (низкой влажностью воздуха). Тем не менее, градирни подобной конструкции широко используются в районах Украины, где влажность достаточно высока. В результате работа градирен протекает в условиях далеких от оптимальных. 6 Обычно эффективность работы традиционных градирен составляет 70…75%. Например, при температуре окружающей среды 350С и относительной влажности 40%, теоретическое значение температуры охлажденной воды составляет 23.90С, а выходная влажность воздуха – 0.018 кг влаги на килограмм сухого воздуха. Использование насадок пленочного типа позволяет увеличить поверхность контакта воздуха и охлаждаемой воды в заданном объеме. Однако в этом случае удается только повысить компактность аппарата, а не «нижнюю» температуру охлаждения, которая остается близкой к температуре мокрого термометра. Если использовать градирню на основе цикла Майсоценко, тогда то для тех же условий теоретическая температура охлажденной воды может быть близка к температуре точки росы охлаждаемого воздуха (19.40С), а влажность воздуха возрастает до 0.033 кг влаги на килограмм сухого воздуха. При осушке воздуха на входе в градирню до 20%, температура воздуха может быть снижена до 7.80С. Схема градирни на основе М-цикла представлена на рис. 3. Она состоит из двух вертикальных концентрических цилиндров, причем внешняя часть внутреннего цилиндра орошается водой. Такие градирни существенно отличаются от традиционных «сухих» градирен большой высоты, эффективность которых ограничена разностью температур воздуха внутри башни и вне ее, а стоимость потребляемой электроэнергии значительна. В центральном канале градирни на основе М-цикла поток за счет охлаждения движется сверху вниз, а при нагреве в кольцевом канале – снизу вверх с увеличением влажности. Вследствие испарения воды в кольцевом канале масса потока на выходе превышает массу воздуха на входе. В соответствии с рис. 1 наименьшая температура воздуха и воды достигается в нижней части градирни, а на выходе из кольцевого канала температура потока будет близка к температуре мокрого термометра. Применение цикла Майсоценко не ограничено использованием воздуха окружающей среды; в градирнях Мцикла могут быть использованы азот, двуокись углерода, промышленные газы, а в качестве охлаждаемой жидкости - промышленные стоки, морская и засоленная вода. Начало процессам тепло-и массообмена в градирне дает вынужденная подача воздуха окружающей среды во внутренний цилиндр и испарение воды с внешней поверхности внутреннего цилиндра. Градирня на основе М-цикла может быть использована для выработки электроэнергии, холодного воздуха, пресной и холодной воды. Установленная в нижней части градирни ветроустановка, за счет высокой скорости потока способна производить электрическую энергию. При этом работа такой установки протекает постоянно и не зависит от скорости ветра атмосферы. Расчеты показывают, что градирня высотой 10 м способна производить до 25 кВт-часов электроэнергии ежедневно. Фактически, любая индустриальная труба, снабженная устройством на основе цикла Майсоценко, может быть 7 использована для выработки электроэнергии, охлажденного воздуха (если отбирать часть воздуха в нижней части градирни) и холодной воды. Эффективность энергетической башни на основе М-цикла в несколько раз превосходит все известные технические решения. При использовании открытой схемы и температуре окружающего воздуха 300С вода в градирне на основе М-цикла может охлаждаться почти на 200С (от 320С до 130С). Хорошие показатели имеют также градирни закрытого типа на основе М-цикла. Эффективность работы градирни может быть, в частности, повышена за счет осушки и подогрева входящего воздуха, а также солнечного нагрева внешней поверхности. Самостоятельный интерес для Украины представляют устройства для производства пресной воды из промышленных стоков или морской воды, а также при экстрагировании влаги из атмосферного воздуха. В таких устройствах нагретый воздух подается в сухой рабочий канал (рис. 1), проходит далее во влажный канал, где охлаждается за счет испарения, и затем частично подается в сухой канал охлаждения, где происходит конденсация влаги за счет его охлаждения. Стоимость производства почти 3.8 тонн пресной воды составляет 0.91 долл. США, что значительно дешевле, чем при использовании широко используемой технологии обратного осмоса [8]. Большой интерес для Украины представляют рекуператоры для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии в промышленности (80…1200С), которая в большом количестве выбрасывается в атмосферу (промышленные газы, системы кондиционирования и др.). Установки на основе М-цикла могут широко использоваться для охлаждения воды прудов-охладителей в тепловой и атомной энергетике, испарение от которых приносит локальные экологические проблемы. Большие перспективы открываются при использовании горелок на основе воздуха высокой влажности (до 30%), который образуется в аппарате косвенно-испарительного охлаждения за счет утилизации теплоты продуктов сгорания, а также тепловых насосов нового поколения 3. М-цикл в газотурбостроении Украины Газовые турбины широко используются в энергетике, авиации, судостроении, а также в качестве механического привода различных систем. Сегодня до 70% прироста новых электрогенерирующих мощностей в мире обеспечиваются за счет газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ). С использованием ГТУ и ПГУ в мире вырабатывается более 20% электроэнергии, в США к 2020 г. около 40% электроэнергии будет производиться за счет ГТУ и ПГУ. В развитых странах удельный вес использования ГТУ для покрытия пиковых и полупиковых нагрузок уже достиг 30% установленных мощностей. В Украине только на газотранспортной системе установлено более 450 газовых турбин общей мощностью более 4.5 ГВт. 8 Несмотря на высокую степень совершенства, коэффициент полезного действия энергетических газотурбинных установок простого цикла пока не превышает 40% (ГТУ SGT5-800H; 375 МВт; «Siemens», Германия). Для повышения их эффективности используются различные методы. Основные из них: рост температуры продуктов сгорания перед турбиной и повышение степени сжатия воздуха в компрессоре. Большое распространение получили сложные циклы – парогазовый цикл, регенерация теплоты на выходе из турбины, промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре и промежуточный нагрев продуктов сгорания в газовой турбине, впрыск пара в камеру сгорания и проточную часть турбины. Сегодня КПД самой мощной парогазовой установки мощностью 570 МВт на основе ГТУ SGT5-800H («Siemens», Германия) достиг 60%. Ее создание заняло 7 лет и потребовало более 550 млн. евро инвестиций. Украина входит в десятку развитых стран мира, имеющих полный цикл проектирования и серийного производства газовых турбин среднего класса для энергетики, авиации, судостроения и механического привода на газотранспортной системе. Предприятие ГП НПКГ «Зоря»-Машпроект» занимает ведущее положение в мире на рынке газовых турбин морского назначения, там же уже более 50 лет серийно производятся газотурбинные установки мощностью от 2,5 до 25 МВт. Авиационные двигатели ГП «Ивченко-Прогресс» экспортируются во многие страны мира, более 800 газоперекачивающих агрегатов производства Сумского «НПО им. М.В. Фрунзе» эксплуатируются на газопроводах стран бывшего СССР. В ОАО «Турбоатом» созданы несколько проектов энергетических ГТУ и ПГУ, мощных паровых турбин для атомной энергетики. В Украине (ГП НПКГ «Зоря»-Машпроект») имеется большой опыт создания проектов ГТУ сложного цикла - парогазовых установок среднего класса мощностью 13.5…25 МВт (КПД=45.8…48.5%), ГТУ мощностью 4.3…40 МВт по циклу «STIG» с впрыском пара в камеру сгорания и проточную часть турбины (КПД=35.5…42.8%). На базе ГТУ простого цикла (10 МВт) создана и эксплуатируется на газотранспортной системе Украины газотурбинная установка «Водолей-16» мощностью 16 МВт (КПД = 42.1%) [10]. На выходе этой установки установлен контактный тепломассообменный аппарат, утилизирующий большую часть выхлопной теплоты и обеспечивающий возврат конденсата в цикл, а также воды, образующейся при сгорании природного газа. Температура продуктов сгорания на выходе из установки «Водолей-16» близка к температуре мокрого термометра и составляет +43…450С. Коэффициент возврата воды более единицы сохраняется в цикле до температуры окружающей среды +250С. Расчеты показывают, что при температуре газа перед турбиной 1350…14000С КПД установки «Водолей» может составлять более 50%. Циклы газовых турбин с увлажнением воздуха («STIG», «HАT», «CHAT», «AHAT» и др.) характеризуются высокими технико-экономическими показателями, но имеют 9 сложную инфраструктуру. В частности, они требуют двух отдельных и достаточно металлоемких аппаратов – нагревателя и увлажнителя, а также много другого оборудования, что повышает стоимость и снижает надежность работы установки. Другая проблема – использование в цикле большого количества химически очищенной воды, которая безвозвратно выбрасывается в атмосферу. В результате повышается влажность воздуха вблизи работающей газотурбинной установки, что приводит к экологическим проблемам и вредит здоровью человека. Влажность воздуха, подаваемого в камеру сгорания в циклах «STIG», «HАT», «CHAT» обычно не превышает 20%. В цикле Майсоценко очень высокая влажность воздуха (30% и более) может быть достигнута в одном аппарате, он более компактный, более дешевый и более технологичный в изготовлении, характеризуется высокой интенсивностью тепло- и массообмена. При этом вода, используемая в цикле, и пары воды, образующиеся при сгорании природного газа, полностью утилизируются в выходном тепло- и массообменном аппарате и возвращаются в цикл. В работе [8] рассмотрена схема газотурбинной установки на основе М-цикла (рис. 4). Охлаждение воздуха перед компрессором достигается без увлажнения воздуха, что характерно для большинства технологий. Применение только двух аппаратов косвенноиспарительного охлаждения позволяет одновременно решить несколько важных задач. Во-первых, снизить «нижнюю» температуру цикла до температуры близкой к точке росы и, тем самым, существенно повысить КПД установки без повышения температуры газа перед турбиной. Одновременно утилизируются «выбросная» теплота и водяной пар из продуктов сгорания. Во-вторых, получить очень высокую степень увлажнения сжатого воздуха (до 30%) на входе в камеру сгорания. Известно, что при использовании пара Рис. 3. Газотурбинная установка по циклу Майсоценко с охлаждением воздуха на входе. 10 высокой влажности существенно улучшаются процессы сгорания топлива, в несколько раз снижается уровень вредных выбросов в атмосферу [11], увеличивается мощность газотурбинной установки. В-третьих, снижается температура воздуха перед компрессором установки в жаркое время года. Как следует из теории газотурбинных установок, при температуре окружающей среды более +150С снижение температуры входного воздуха на 10С приводит к увеличению КПД газотурбинной установки на 0.5…0.7%. Вода, используемая для охлаждения входного воздуха, может быть утилизирована и вновь использована в цикле. Цикл Майсоценко может быть использован в газовых турбинах различной мощности, как в микротурбинах, так и в газовых турбинах большой мощности. При его использовании высокое значение КПД газовой турбины сохраняется при частичной нагрузке турбины до 50%. Важно отметить, что по сравнению с парогазовым циклом высокое значение КПД на уровне 60% достигается без использования паровой турбины, конденсатора и других металлоемких устройств, связанных с практической реализацией цикла. Исследования термодинамики газотурбинной установки на основе М-цикла находятся на начальной стадии. Тем не менее, даже первые исследования цикла показали его несомненные преимущества по сравнению с хорошо известным циклом «НАТ» («Humid Air Turbine»). В ГТУ на основе М-цикла охлаждение продуктов сгорания происходит до температуры близкой к точке росы. Как указывалось выше, высокий уровень увлажнения воздуха (до 30%) существенно снижает выбросы окислов азота в окружающую среду. При увеличении влажности воздуха с 3 до 39% при атмосферном давлении выбросы окислов азота снижаются в 13.5 раза [11]. Это обусловлено более высоким значением теплоемкости парогазовой смеси, более равномерным температурным полем в камере сгорания без локальных «пиков» температуры. Кроме того, даже небольшая диссоциация водяного пара на водород и кислород способствует значительной интенсификации процессов горения. Термический КПД цикла Майсоценко определяется уравнением [8]: η M = 1 - [(t out.M – t amb )/(t out.B – t amb. )](1 – ηB )(m 2 /m 1 ) , (1) где t out.M , t out.B - выходная температура по циклам Майсоценко и Брайтона; ηB действительный термический КПД цикла Брайтона; m 2 , m 1 – расход воздуха через газотурбинную установку по циклам Майсоценко и Брайтона. В качестве примера рассмотрим энергетическую газовую турбину UGT-25 мощностью 25 МВт производства ГН НПКГ «Зоря»-Машпроект» (Украина). Температура продуктов сгорания на входе - 1350 0С, на выходе - 4650С, теоретический КПД цикла 11 Брайтона – 0.48, (КПД цикла Карно – 0.82), действительный КПД – 0.37. При постановке на выходе из газотурбинной установки тепломассообменного аппарата Майсоценко отношение m 2 /m 1 находится в пределах 1.0…1.2 [4]; для дальнейших расчетов принимаем m 2 /m 1 =1.2. Тогда из уравнения (1) для температуры окружающей среды t amb = 270С следует η M = 1 – 1.92·10-3 ·(t out.M – 270С). Как указывалось выше, выходная температура продуктов сгорания в цикле «Водолей», охлаждаемых до температуры близкой к температуре мокрого термометра, составляет 42…450С. Тогда с учетом несовершенства тепломассообменных процессов в выходном аппарате примем, что в М-цикле разница температур t out.M – t amb может составлять 36…400С. Тогда для t out.M – t amb = 400С получим η M ≈ 92.3%, т.е. более 92% химической энергии топлива могут быть полезно использованы в установках на основе М-цикла. Это существенно больше, чем в идеальном цикле Брайтона. Более высокий термический КПД М-цикла по сравнению с циклом Карно объясняется фундаментальными различиями между этими циклами. В цикле Карно используется одно рабочее тело, которое последовательно проходит сжатие в компрессоре, подвод теплоты (горение), расширение в турбине и охлаждение. Цикл Майсоценко использует два различных рабочих тела - воздух в компрессоре и влажные продукты сгорания в газовой турбине. Теоретически в М-цикле расширение в турбине может происходить до температуры точки росы, что существенно понижает «нижнюю» температуру цикла и повышает КПД цикла. Эксперименты показали, что потери давления в выходном тепломассообменном аппарате слабо влияют на общий КПД установки; при этом постановка двух последовательных аппаратов, что может диктоваться условиями эксплуатации, термический КПД цикла уменьшается всего на 2…3%. Использование двух различных рабочих тел - воздуха перед компрессором и влажных продуктов сгорания перед турбиной имеет некоторые преимущества. Поскольку после компрессора в воздух добавляется влага, то чтобы сохранить расход воздуха, соответствующий базовому двигателю, необходимо сжимать меньший массовый расход воздуха, т.е. мощность на привод компрессора снижается. При одинаковом массовом расходе смесь продуктов сгорания и влаги имеет меньшую плотность, чем продукты сгорания. Тогда объемный расход через турбину возрастает, а ее мощность увеличивается. Украина, имеющая достаточно большой опыт создания газовых турбин сложного цикла с использованием влажного воздуха («STIG», «Водолей»), может занять лидирующее положение в мире на рынке газовых турбин, положив цикл Майсоценко в основу разработки энергетических и приводных газовых турбин следующего поколения. В качестве первого шага для отработки отдельных элементов установки может быть использована действующая на Газотранспортной системе Украины установка «Водолей16К», которая имеет всю необходимую для этого инфраструктуру. При модернизации 12 установки «Водолей-16К» в соответствии со схемой рис. 4 будут установлены два аппарата косвенно-испарительного охлаждения – на входе в компрессор и на выходе из газовой турбины. В летнее и весеннее время за счет охлаждения атмосферного воздуха на входе в компрессор повышение КПД приводной газотурбинной установки может составлять до 5%, что в масштабе Газотранспортной системы Украины эквивалентно ежегодной экономии природного газа около 300 млн. м3 стоимостью более 130 млн. долл. США. Первым этапом такой работы может стать термодинамический и техникоэкономический анализ установки при ее переводе на М-цикл с использованием в камере сгорания воздуха более высокой (до 30%) влажности. Самостоятельный интерес представляет использование в цикле «Водолей-16К» периодической очистки воды по Мциклу (около 800 тонн воды используется в цикле, которая требует периодической химической регенерации), а также регенерации воды на входе на входе в компрессор из отработанного влажного пара. Одним из наиболее перспективных и масштабных приложений М-цикла может стать охлаждение компримированного (сжатого) природного газа на компрессорных станциях, которых более 80 на территории Украины. Решение этой проблемы, которая до сих пор базируется на использовании неэффективных, громоздких и энергозатратных аппаратах воздушного охлаждения (АВО), позволит достичь большого экономического эффекта в масштабе Украины. Использование цикла Майсоценко в газотурбостроении требует предварительных научных исследований в области теории газовых турбин, теплофизики, гидорогазодинамики, теории горения топлив, материаловедения и других наук, которые могут быть выполнены в институтах Национальной академии наук Украины. Потребуется также последующее научное сопровождение институтами НАН Украины создания такой установки. Ведущей организацией по такому проекту может стать ГП НПКГ «Зоря»Машпроект» (Украина), имеющая большой опыт в этой области. Выводы Тепло- и массообменный аппарат косвенно-испарительного охлаждения по циклу Майсоценко обеспечивает уникальные возможности для совершенствования многих производственных процессов и снижения потребления энергии. Для охлаждения газов и жидкостей до температуры близкой к точке росы используется относительно простое оборудование, которое не требует дорогого компрессора и холодильных агентов. М-цикл может найти широкое использование в Украине в системах кондиционирования, промышленных градирнях, тепловых насосах, солнечных и ветроустановках, при опреснении и очистке воды, в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах. 13 Вследствие уникальности термодинамического процесса устройства на основе М-цикла имеют высокие технико-экономические показатели и оказывают менее вредное воздействие на окружающую среду. Широкое использование М-цикла в масштабе Украины в ближайшей перспективе может создать серьезные предпосылки для формирования новой стратегии энергосбережения Украины. Применение М-цикла в газотурбостроении способствует снижению «нижней» температуры термодинамического цикла, существенному повышению КПД цикла, значительному снижению выбросов двуокиси азота, уменьшению работы на привод компрессора и увеличению мощности газовой турбины. Полный возврат воды, используемой в цикле, в том числе из продуктов сгорания, позволяет создать замкнутый цикл водообращения для использования в М-цикле. В качестве пилотного проекта для оценки преимуществ и технико-экономических показателей установки с М-циклом, может быть использована установка «Водолей-16К», которая с 1993 г. эксплуатируется на газотранспортной системе Украины. Ведущей организацией по такому проекту может стать ГП НПКГ «Зоря»-Машпроект» (Украина), в котором был создан и реализован проект установки «Водолей-16К» . Литература 1. Chandracant, W. et al., (2012) A Review on Potential of Maisotsenko Cуcle in Energy Saving Applications Using Evaporative Cooling, Int. Journ. of Advance Research in Science, vol. 01, Issue 01, p. 15-20. 2. Galiskan, H. et al., (2011) Thermodynamic Performance Assessment of a Novel Air Cooling Cycle: Maisotsenko Cycle, International Journal of Refrigeration, doi:10.1016/j.ijrefrig.2011.02.001 3. Gillan, L., Maisotsenko, V., (2003) Maisotsenko Open Cycle Used for Gas Turbine Power Generation. Proceedings of ASME Turbo-Expo, Atlanta, USA, June 2003, Paper No. GT200338080, p. 75-84. 4. Gillian L., (2008) Maisotsenko Cycle for cooling processes, Clean Air, 9, 1-18. 5. Idalex Technologies Inc., 2010a. The Maisotsenko Cycle – Conceptual. htpp://idalex.com/technology/how_it_works_-_engineering_perspective.hhtm . 6. Idalex Technologies Inc., 2010b. The Maisotsenko Cycle – Basic. htpp://idalex.com/technology/how_it_works_-_engineering_perspective.hhtm . 7. Maisotsenko, V., Reizin, I., (2005) The Maisotsenko Cycle for Electronic Cooling, Proceedings of IPACK2005, ASME InterPack’05, July 17-22, San-Francisco, California, USA, p. 1-10. 8. Maisotsenko, V., Gillan, L., Kozlov, A., (2010) The Maisotsenko Cycle for Power Generation, Waster Energy Recovery, and Water Reclamation, Proc. of Clean Energy Supercluster Forum, October 25, Fort Collins, CO, IDALEX Inc. USA, 41 p. 14 9. NREL, (2003), National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy by Midwest Research Institute, Battelle, Bechnel. htpp://www.nrel.gov/vm@idalex.com. 10. Product Catalog «Zorya»-Mashproekt» (Ukraine), (2009), 55 p. 11. Soroka B.S., (1993) Method for Accounting for the Effect of Composition and Parameters of the FMixture on the Formation of Nitrogen Oxides in Combustion Processes, Journal Ecological Technologies and Resource (Russia), №6, p. 47-53. 12. Wickler, K., (2003) Life Below the Wet Bulb: Maisotsenko Cycle, Power Magazine, November/December, p. 1-3. 13. Zhan, C. et al., (2011) Comparative Study of the Performance of the M-Cycle Counter-flow and Cross Flow Heat Exchangers for Indirect Evaporative Cooling – Paving the Path Towards Sustainable Cooling of Buildings, Energy, vol. 36, p. 6790 15
