Проектирование и экспериментальный анализ установки органического цикла Ренкина на 4 квт на рабочем теле R142b

В последние годы в мире наблюдается рост интереса к энергосберегающим технологиям, особенно к установкам органического цикла Ренкина (ОЦР), которые позволяют утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию. Такие установки широко применяются в технически развитых странах, таких как Китай, США, Япония, Италия и Германия. В России также наблюдается рост интереса к подобным технологиям, что подтверждается строительством станций компаниями «Лукойл», «Ultralam» и ПАО «Газпром».

Основная задача данной работы – анализ влияния режимных параметров на эффективность работы установки ОЦР мощностью 4 кВт, работающей на фреоне R142b. Установка предназначена для утилизации тепловой энергии, что делает её актуальной для применения в различных отраслях промышленности [1, 2].

Методика проектирования и анализа установки ОЦР

На проектирование установок ОЦР наибольшее влияние оказывают параметры источника теплоты и охлаждающей среды. От данных параметров зависит вид рабочего тела для таких установок, обычно выбирают такое тело, у которого давление насыщения до 1 МПа, а давление конденсации атмосферное, так как в качестве расширителя часто используют компрессор, механические узлы которого не способны работать при разряжении [3–5].

Схема установки, соответствующая требованиям безопасности и надежности, представлена на рис. 1. Ресивер в такой установке используется в качестве резервуара для заполнения и запаса рабочего тела. Для повышения надежности установки в нее добавлен сепаратор, удаляющий жидкую фазу из паров хладона перед расширителем. Пуск установки начинается с цикла ресивер-насос-испаритель-сепаратор, после того как температура фреона поднимается до номинальной, начинается его подача на расширитель и конденсатор. Для отвода теплоты охлаждающей воды из конденсатора используется вентиляторная градирня. Контроль параметров и управление работой установки осуществляется согласно схеме КИПиА (рис. 2).

Проектирование установок ОЦР зависит от температур греющей и охлаждающей воды, исходные данные для проектирования установки ОЦР на 4 кВт представлены в табл. 1.

Расчет и подбор рабочего тела был осуществлён с помощью программного продукта [6], оптимальным рабочим телом для такой установки является фреон R142b, температура насыщения составляет 92 ̊С, расширитель выбран спиральным.

Эффективность цикла ОЦР определяется как

^з h₄

^7оцр

^3 — ^2

Рис. 1. Технологическая схема установки ОЦР 4 кВт: 1 – источник тепловой энергии; 2 – испаритель; 3 – подающий насос; 4 – сепаратор; 5 – турбина; 6 – электрогенератор; 7 – конденсатор; 8 – градирня; 9 – циркуляционный насос; 10 – ресивер; 11 – питательный насос

Fig. 1. Technological scheme of the 4 kW ORC installation: 1 – heat energy source; 2 – evaporator; 3 – supply pump; 4 – separator; 5 – turbine; 6 – electric generator; 7 – condenser; 8 – cooling tower; 9 – circulation pump; 10 – receiver; 11 – feed pump

Рис. 2. Схема КИПиА установки ОЦР 4 кВт. Точки 1–4 соответствуют точкам на P-H-диаграмме фреона R142b

Fig. 2. Diagram of the instrumentation and control system of a 4 kW ORC installation. Points 1–4 in the figure correspond to the points on the p-h diagram of freon R142b

Таблица 1. Параметры греющей и охлаждающей воды

Table 1. Parameters of heating and cooling water

Тепловая мощность котла, кВт Температура воды на входе, °С Температура воды на выходе, °С Температура охлаждающей воды на входе, °С 40 95 70 26 где h3 – энтальпия насыщенных паров фреона после испарителя, кДж/кг; h4 – действительная энтальпия рабочего тела после расширителя, кДж/кг; h2 – энтальпия фреона на входе в испаритель, кДж/кг; Δhн – прирост энтальпии при сжатии в насосе; ηн – эффектинвость насоса.

Мощность установки ОЦР находится как (МВт)

^оцр — СиСП ’ т/оцр’ где Qисп – тепловая мощность греющей среды, отдаваемая в испарителе, кВт.

Термодинамические параметры рабочего тела в номинальном режиме в характерных точках процесса приведены в табл. 2, цикл работы установки в P-H-диаграмме представлены на рис. 3.

После определения основных параметров производится подбор оборудования, входящего в установку. Технические параметры данной установки представлены в табл. 3. 3Д-модель установки, выполненная после подбора оборудования, изображена на рис. 4. Опытно-промышленная установка представлена на рис. 5.

Рис. 3. P-H-диаграмма цикла установки ОЦР на 4 кВт

Fig. 3. P-H diagram of a 4 kW ORC installation cycle

Таблица 2. Параметры рабочего тела в ОЦР-контуре

Table 2. Parameters of the working fluid in the ORC circuit

Парметры\Точка процесса	1	2	3	4
Давление, МПа	0,523	1,3	1,3	0,523
Температура, °C	35	35,4	92	57,21
Энтальпия, кДж/кг	245,43	246,15	479,47	460,65
Плотность, кг/м3	1085,62	1087,75	479,47	460,65

Таблица 3. Технические параметры установки

Table 3. Technical parameters of the installation

Параметр	Значение
Температура источника тепла, °C	95
Мощность установки, кВт	4,0
КПД установки,%	10,006
Габариты, мм	2000 х 800 х 1500
Масса	150 кг

Рис. 4. Модель установки ОЦР на 4 кВт

Fig. 4. 4 kW ORC installation model

Рис. 5. Экспериментальная установка ОЦР на 4 кВт

Fig. 5. Experimental installation of a 4 kW ORC

Анализ результатов экспериментальных исследований термодинамических процессов

Эффективность работы установки ОЦР мощностью 4 кВт на фреоне R142b зависит от температуры греющей среды и нагрузки. Экспериментальные исследования показали, что при снижении нагрузки менее 50 % эффективность установки снижается, а при нагрузке менее 30 % установка перестает работать.

На рис. 6 и 7 представлены зависимости эффективности установки от температуры греющей среды и нагрузки. Анализ показал, что минимальная температура насыщения фреона в испарителе, при которой происходит полное поглощение подводимой теплоты, составляет 92 °C (рис. 8).

Рис. 6. Зависимость эффективности ОЦР от температуры греющей среды и нагрузки: 1 – нагрузка 100 %; 2 – нагрузка 80 %; 3 – нагрузка 60 %; 4 – нагрузка 40 %

Fig. 6. Dependence of the ORC efficiency on the temperature of the heating medium and the load: 1–100 % load; 2–80 % load; 3–60 % load; 4–40 % load

Рис. 7. Влияние нагрузки на КПД расширителя при температуре испарения 85–92 °C

Fig. 7. Effect of load on expander efficiency at an evaporation temperature of 85–92 °C

На рис. 9 и 10 представлены сравнения экспериментальных и теоретических значений эффективности установки в зависимости от температур греющей и охлаждающей сред. Погрешность измерений не превышает 5 %.

Рис. 8. Влияние температуры испарения фреона R142b на долю восстановления теплоты

Fig. 8. Effect of the evaporation temperature of freon R142b on the proportion of heat recovery

Рис. 9. Зависимость эффективности ОЦР от температуры источника теплоты: 1 – теоретические значения; 2 – экспериментальные значения

Fig. 9. Dependence of the ORC efficiency on the temperature of the heat source: 1 – theoretical values; 2 – experimental values

Выводы

• 1.    Конструкция установок ОЦР определяется режимными параметрами греющей и охлаждающей сред. При большой разнице температур между ними рекомендуется использовать промежуточный теплообменник – рекуператор.

• 2.    Для установок ОЦР чаще всего используются «сухие» рабочие тела, степень сухости которых после расширения составляет 1.

• 3.    Эффективность работы установки ОЦР в наибольшей степени зависит от эффективности расширителя, которая определяется его конструкцией и нагрузкой.

• 4.    Наибольшее влияние на эффективность установки оказывает температура охлаждающей среды.

• 5.    Внедрение энергосберегающих технологий на основе ОЦР экономически целесообразно и требует развития отечественного производства.

Рис. 10. Зависимость эффективности ОЦР от температуры охлаждающей воды: 1 – теоретические значения; 2 – экспериментальные значения

Fig. 10. Dependence of the efficiency of the ORC on the temperature of the cooling water: 1 – theoretical values; 2 – experimental values