О возможности практического применения тепловых машин в установках для сжижения природного газа

Перейдем теперь к рассмотрению более реалистичного варианта рефрижератора Линде, в котором поверхность теплообменника не бесконечна, и вследствие этого, на холодном конце теплообменника имеется некоторая температурная недорекуперация. В этом случае перепад температур между теплым и холодным источниками тепла, в котором работает тепловая машина, увеличится примерно на величину этой недорекуперации.

Анализируя на q-1/T диаграмме ход линий прямого и обратного потоков нетрудно прийти к выводу о том, что все, что увеличивает термодинамические потери в теплообменнике: недостаток поверхности теплообмена и теплопритоки из окружающей среды – улучшает условия для работы тепловой машины.

Для оценки возможностей практического применения тепловой машины в качестве ступени охлаждения криогенных циклов, следует учесть и потери в самой тепловой машине. Подходящим типом машины, способной работать в интересующем нас диапазоне температур, являются тепловые двигатели, работающие по циклу Стирлинга. В газовых криогенных машинах, работающих по циклу Стирлинга, легко достигаются значения эксергетического к.п.д. порядка 30%. Экспериментальные свободнопоршневые тепловые машины Стирлинга при полезной мощности 5-10 кВт имеют эксергетический к.п.д. порядка 40%. Поэтому расчеты проведены для двух значений эксергетического к.п.д. «реальной» тепловой машины равных, соответственно, 30% и 40%.

Для того чтобы иметь возможность сравнить результаты расчетов цикла с тепловой машиной и ранее опубликованные результаты работ А.П.Клименко [1], в которых приведены результаты испытаний экспериментальных образцов ожижителей метана, использующих перепад давлений на газораспределительных станциях, расчеты проводились для следующих условий: давление прямого потока природного газа – 50 бар, давление обратного потока – 3 бара, температур отбираемого из магистрального газопровода газа – 300 К, недорекуперация на теплом конце теплообменника – 8 К, теплопритоки из окружающей среды – 6,3 кДж/кг (1,5 ккал/кг).

Расчетное значение коэффициента ожижения для установки с эксергетическим к.п.д. «реальной» тепловой машины 30% получилось равным 6,4%, при этом тепловой машиной было произведено 31,1 кДж/кг механической энергии. А расчетное значение коэффициента ожижения для установки с эксергетическим к.п.д. «реальной» тепловой машины 40% получилось несколько выше – 7,6%, и тепловой машиной в этом случае было произведено 43,6 кДж/кг механической энергии. Для сравнения, тот же дроссельный ожижитель метана, без тепловой машины, но при той же величине потерь, позволяет получить коэффициент ожижения не превышающий 2,7%.

В обоих рассмотренных случаях оптимальная температура подвода тепла к тепловой машине составляла 183 К. Температура отвода тепла в обоих случаях была принята равной 127 К.

В пересчете для ожижителя природного газа производительностью 100 л/час мощность тепловой машины при кпд 30% составляет 5,4 кВт, а при кпд 40% - 6,0 кВт.

Экспериментальные значения коэффициента ожижения детандерного цикла по А.П.Клименко [1] для этих же условий оказались существенно выше – 13-16%.

Перейдем теперь к рассмотрению вопроса о целесообразности применения тепловой машины, работающей совместно с холодильной установкой, иными словами, рассмотрим возможность использования термотрансформатора для уменьшения потерь от несовершенства теплообмена в криогенных установках.

Соответствующие расчеты также проводились в двух вариантах: для случая, когда эксергетические к.п.д. тепловой машины, и сопряженной с ней холодильной установки равны 30%, и для случая, когда эксергетический к.п.д. тепловой машины и холодильной установки равен 40%. Общий эксергетический к.п.д. термотрансформатора составлял, соответственно, 9% и 16%. Остальные параметры установок приняты такими же, как и в работе А.П.Клименко [1].

Температурный уровень, на котором производится охлаждение прямого потока, подбирался таким образом, чтобы холодопроизводительность машины была равна максимальному количеству тепла, которое можно отвести от прямого потока. При этом условии достигается максимальная эффективность использования энергии, вырабатываемой тепловой машиной.

В результате расчетов получены следующие значения коэффициента ожижения дроссельного цикла. При эксергетическом к.п.д. термотрансформатора равном 9%, коэффициент ожижения повысился до 12,1%, а при эксергетическом к.п.д. термотрансформатора равном 16%, коэффициент ожижения достиг 13,4%. Если сравнивать эти показатели с коэффициентом ожижения дроссельного цикла без термотрансформатора, равного 2,7%, то повышение коэффициента ожижения составляет 350% и 390%, соответственно.

Температуры промежуточного охлаждения прямого потока при эксергетическом к.п.д. термотрансформатора равном 9% и 16% получились равными, соответственно, 250 К и 241 К.

Таким образом, при использовании термотрансформатора дроссельный ожижитель природного газа по энергетической эффективности вплотную приблизился к детандерным циклам среднего давления.

Следует, отметить то, что если бы эксергетический к.п.д. термотрансформатора был бы таким же, как адиабатный к.п.д. детандера, то цикл с термотрансформатором по энергетической эффективности превзошел бы детандерные циклы.

В чем же причина столь высокой эффективности термотрансформатора, как элемента криогенной установки?

Напомним, что применение реальной тепловой машины с к.п.д. 30% позволяет достичь коэффициента ожижения дроссельного цикла равного лишь 6,4%.

Причина того, что холодопроизводительность рефрижератора Линде с термотрансформатором повысилась почти вдвое, заключается в том, что при промежуточном охлаждении прямого потока, эксергия дополнительного холода, производимого рефрижератором, может во много раз превышать эксергию тепла, отведенного от прямого потока. При работе же тепловой машины дополнительная холодопроизводотельность рефрижератора просто равна работе (эксергии), которую вырабатывает машина.

Остановимся теперь более подробно на вопросе о типах машин, которые могут быть использованы в качестве тепловой машины или термотрансформатора. Это, в первую очередь, машины, работающие по циклу Стирлинга и машины, типа теплового трансформатора Вюлемье. Основным направлением совершенствования таких машин является разработка сравнительно простых и более надежных свободнопоршневых тепловых двигателей и термотрансформаторов [4,5]. Очевидным недостатком таких машин является наличие движущихся частей, и как следствие этого, сравнительно низкая надежность и малый ресурс работы.

На рисунке 4 показана принципиальная схема свободнопоршневого термотрансформатора, объединяющего тепловую и холодильную машины, работающие по циклу Стирлинга. Для простоты на схеме показана машина, в которой в качестве регенеративного теплообменника используется зазор между стенкой цилиндра и вытеснителем. Очевидно, что это не единственно возможная конструкция как регенеративного теплообменника, как и свободнопоршневого термотрансформатора в целом.

Приведенная схема хорошо иллюстрирует то, что такой термотрансформатор может оказаться проще и надежнее поршневого детандера. Действительно, в термотрансформаторе такой конструкции отсутствуют клапаны, кривошипно-шатунный механизм и генератор, который используется в качестве тормоза. В такой машине отсутствуют радиальные усилия между поршнем и цилиндром и между поршнем и штоком вытеснителя, следовательно, износ в парах трения будет меньше, чем у поршневого детандера. В результате применения современных материалов и прогрессивных конструкций срок службы экспериментальных тепловых машин со свободным поршнем, разработанных для обеспечения электроэнергией спутников и космических станций, достигает 60.000 часов или примерно 30 лет [5].

Немало важно и то, что тепловая машина, работающая в составе ожижителя метана, не может пойти в разнос. Кроме того, она работает при более низком давлении рабочего вещества, следовательно, она безопаснее в эксплуатации.

Создание эффективных турбодетандеров для не больших ожижителей природного газа, работающих по циклу высокого и среднего давления, представляет собой сложную техническую проблему из-за чрезвычайно высокого числа оборотов ротора, которое должен иметь такой детандер. В отличие от тубодетандера, тепловая машина не чувствительна к изменению давлений прямого и обратного потоков. Это важно в тех случаях, когда ожижитель природного газа является вспомогательным оборудованием, например, на газораспределительных станциях, и давления потоков сильно зависят от интенсивности потребления природного газа.

Свободнопоршневой термотрансформатор может быть выполнен в виде автономного, абсолютно герметического узла, который самозапускается при появлении необходимой разности температур. Поэтому, ожижитель природного газа с такой машиной не требует квалифицированного персонала для пуска, остановки и регулирования холодопроизводительности ожижителя при изменении параметров ожижаемого газа.

Поэтому свободнопоршневой термотрансформатор можно рассматривать как реальную альтернативу детандеру для не больших ожижителей природного газа.

В последние десятилетия бурно развивается новое направление в низкотемпературной технике – термоакустическое охлаждение. Относительно недавно появились новые, более эффективные виды термоакустических генераторов звуковых колебаний – по сути дела тепловых машин, превращающих энергию перепада температур в механическую энергию звуковых колебаний [6]. Эксергетическая эффективность наиболее удачных конструкций термоакустических тепловых машин уже достигает 20%. И, наконец, в настоящее время уже известны конструкции, в которых объединены термоакустическая тепловая машина и термоакустический рефрижератор [7].

Основным преимуществом термоакустических тепловых машин и рефрижераторов является отсутствие движущихся частей и исключительная простота конструкции. Это, в свою очередь, обуславливает высокую надежность и низкую стоимость термоакустических приборов.

Основным недостатком термроакустических приборов охлаждения является их относительно низкая энергетическая эффективность. Кроме этого, известные термоакустические генераторы звуковых колебаний работают при перепадах температур в сотни градусов, а не в десятки градусов, которые необходимы для использования имеющихся в криогенных установках перепадов температур.

Если эти недостатки термоакустических приборов будут преодолены, то такие устройства станут пригодными для применения в ступенях охлаждения криогенных установок.

Продолжим теоретическое исследование возможностей применения термотрансформаторров в ожижителях природного газа малой производительности.

На q-1/T диаграмме, приведенной на рисунке 5

, отражены результаты расчетов для случая, когда эксергетический к.п.д. термотрансформатора равен 16%. Не трудно убедиться, что эксергия произведенного термотрансформатором холода, пропорциональная площади прямоугольника 4, существенно меньше работы идеальной тепловой машины, пропорциональной площади прямоугольника 1. При этом соотношение площадей этих фигур визуально соответствует принятым значениям к.п.д. тепловой машины и холодильной установки.

На приведенной q-1/T диаграмме, пунктирной линией показан ход температур прямого потока при отводе тепла в тепловую машину. Эта линия вблизи критической температуры метана (195 К) проходит практически вертикально, что связано с высокой теплоемкостью газа вблизи критической точки. Такое повышение теплоемкости прямого потока очень негативно сказывается на условиях теплообмена прямого и обратного потоков газа в рекуперативном теплообменнике, и приводит к резкому возрастанию потерь от несовершенства теплообмена. С точки зрения работы тепловой машины высокая теплоемкость прямого потока, наоборот, является благом, так как приводит к уменьшению потерь от несовершенства теплообмена при отводе тепла в тепловую машину. Более того, при понижении температуры ниже критической, условия для теплоотдачи от прямого потока только улучшатся в связи с появлением фазового перехода и повышением коэффициента теплоотдачи при конденсации прямого потока на стенке теплоприемника тепловой машины.

Как видно из q-1/T диаграммы, выходящий из тепловой машины поток имеет еще достаточно высокую температуру, для того, чтобы его можно было охладить в низкотемпературной секции рекуперативного теплообменника.

Q-1/T диаграмма показывает, что двухступенчатое охлаждение прямого потока холодильной и тепловой машинами позволяет существенно уменьшить потери от несовершенства теплообмена в рекуперативном теплообменнике. Площадь фигуры, окрашенной голубым цветом на рисунке 5 соответствует уменьшению потерь от несовершенства теплообмена в теплообменнике по сравнению с теплообменником ожижителя Линде.

Тепловая машина, работающая по циклу Стирлинга, является не единственным типом тепловой машины, пригодной для использования в качестве ступени охлаждения криогенных циклов. Так как критическая точка всех без исключения криогенных веществ лежит значительно ниже температуры окружающей среды, то весьма перспективным представляется использование в качестве ступени охлаждения классического паросилового цикла Ренкина. Высокие энергетические показатели этого цикла и удобство его аппаратной реализации обуславливают широкую распространенность этого цикла в современной энергетике.

Применение в качестве ступени охлаждения цикла Ренкина наиболее целесообразно в криогенных установках низкого давления, у которых давление прямого потока ниже критического. На рисунке 6 приведена T-S диаграмма криогенного цикла низкого давления для сжижения метана. Цикл представляет собой комбинацию обратного дроссельного цикла 1,2,4,5,6,7,9,1 и прямого цикла Ренкина 9,8,6,5,4,3,9. На рисунке 6 площадь фигуры 9,8,6,5,4,3,9, пропорциональная работе цикла Ренкина, залита желтым цветом.

Если для прямого и обратного циклов выбрать одно и то же вещество, что с учетом крайне ограниченного выбора криогенных веществ, выглядит вполне логично, то оптимальные характеристики обоих циклов будут достигаться тогда, когда температуры и давления рабочего вещества в теплообменных аппаратах будут одинаковы. В этом случае появляется возможность объединить встречные потоки с одинаковыми параметрами, заменив их одним потоком, расход которого равен алгебраической сумме расходов встречных потоков. В рассматриваемом случае, это означает, что вдоль линии 3,4,5,6,7,9 будет двигаться рабочее вещество, расход которого равен разности расходов в обратном дроссельном и прямом цикле Ренкина. Если принять расход рабочего вещества в обратном дроссельном цикле за единицу, расход рабочего вещества в прямом цикле Ренкина равным D, то расход рабочего вещества вдоль линии 3,4,5,6,7,9 будет равен (1 – D).

На рисунке 6 остался еще один обратный цикл – 8,6,7. Этот цикл представляет собой последовательность адиабатного сжатия жидкости в насосе – процесс 8-6, дросселирования – процесс 6-7, и конденсации паров с отводом тепла – процесс 7-8. Из теплового баланса этого цикла следует, что работа сжатия в нем равна отведенному теплу. Таким образом, этот цикл представляет собой процесс диссипации энергии, затраченной в насосе. Так как расход рабочего вещества в обратном дроссельном цикле больше чем в прямом цикле Ренкина, то в сжатии жидкости до давления прямого потока нет необходимости. Поэтому участок – 8,6,7 в объединенном цикле можно опустить.

Нетрудно убедиться, что после проведенных преобразований исходный цикл криогенной установки с тепловой машиной в качестве ступени охлаждения превратился в хорошо известный цикл П.Л.Капицы для сжижения воздуха. Таким образом, ступень охлаждения с тепловой машиной фактически известна с 30-х годов прошлого века, но на протяжении всего этого времени ни разу не рассматривалась как самостоятельный вид ступени охлаждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На примере дроссельного ожижителя метана рассмотрена возможность применения тепловой машины и термотрансформатора для улучшения энергетических показателей ожижителя.

Так как тепловая машина отбирает от прямого потока больше тепла, чем отдает в испарителе, то включение тепловой машины в криогенную установку приведет к повышению ее холодопроизводительности на величину работы, произведенной этой тепловой машиной.

Показано, что использование тепловой машины с термическим к.п.д. 30%, отбирающей тепло от прямого потока при температуре 183 К, и отдающей его кипящему метану, может повысить коэффициент ожижения дроссельного ожижителя метана с 2,7% до 6,4%. Предельное значение коэффициента ожижения при использовании идеальной тепловой машины достигает 16,9%.

Использование термотрансформатора с эксергетическим к.п.д. равным 16% при постоянных температурах подвода и отвода тепла, позволяет повысить коэффициент ожижения дроссельного ожижителя метана на 390%.

В настоящее время наиболее подходящим типом машин, пригодных для реализации предложенной ступени охлаждения являются свободнопоршневые машины, работающие по циклу Стирлинга и машины, типа теплового трансформатора Вюлемье.

Термоакустические генераторы звуковых колебаний с улучшенными характеристиками являются очень перспективными приборами для реализации предложенного способа повышения эффективности криогенных установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сжижение метана. (Обзор зарубежной литературы) серия «Газовое дело». Москва. ВНИИОЭНГ, 1966 г. с. 52.

2. Г.К. Лавренченко, М.Б. Кравченко.Тепловая машина как ступень охлаждения в циклах криогенных систем. // Технические газы, №1, 2011 г.

3. М.Б.Кравченко. Анализ термодинамических циклов низкотемпературных установок с помощью (q-1/T) диаграмм. // Технические газы, №2, 2004 г.

4. Ja. Wurm, J. A.Kinast, T.R.Roose, W.R.Staats. Stirling and Vuilleumier Heat Pump. New York. McGraw-Hill, Inc. 1990. 252 p.

5. Jeffrey G. Schreiber.Developmental Considerations on the Free-Piston Stirling Power Convertor for Use in Space.// American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA–2006–4015.

6. Scott Backhaus, Greg Swift. New varieties of thermoacoustic engines// Los Alamos National LaboratoryLA-UR-02-2721, 9th International Congress on Sound and Vibration, July 2002,

7. Chen Guobang, Tang Ke & Jin Tao. Advances in thermoacoustic engine and its application to pulse tube refrigeration//Chinese Science Bulletin 2004 Vol. 49 No. 13 1319 p.1328 (Cryogenics Laboratory, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)