Аналіз ефективності електрогенеруючої установки, що працює на основі термодинамічного циклу Брайтона та рекуперації енергії

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2023.03.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 26, № 3, 2023 (вересень)
Сторінки 6–14

 

Автори

А. В. Русанов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-9957-8974

В. С. Федорейко, Тернопільський національний педагогічний університет ім. В. Гнатюка (46027, Україна, м. Тернопіль, вул. М. Кривоноса, 2), e-mail: kaf_mki@tnpu.edu.ua, ORCID: 0000-0001-5822-3002

D. Kardaś, Інститут проточних машин ім. Р. Шевальского Польскої академії наук (80-231, Польща, м. Гданськ, вул. Фішера, 14), e-mail: dariusz.kardas@imp.gda.pl, ORCID: 0000-0001-6995-1857

А. О. Костіков, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: kostikov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-6076-1942

В. О. Тарасова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: vat523710@gmail.com, ORCID: 0000-0003-3252-7619

Р. А. Русанов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: roman_rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-2930-2574

М. О. Чугай, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: mchugay@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-0696-4527

М. І. Суханов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10) ORCID: 0000-0002-3029-7111

С. П. Третяк, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: s.tretiak@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0009-0008-1265-4227

 

Анотація

Розглянуто теплову схему електрогенеруючої установки з виносним теплообмінником, що працює за циклом Брайтона з рекуперацією енергії. Передбачається, що установка працюватиме на несертифікованому (дешевому) біопаливі. Показано, що на відміну від звичайного циклу Брайтона у циклі з рекуперацією енергії найбільший вплив на термічний ККД має температура нагріву робочого тіла і внутрішній ККД основних складових установки, таких, як компресор і турбіна. Також на відміну від звичайного циклу Брайтона більш висока ефективність установки досягається при менших ступенях зниження (підвищення) тиску в турбіні (компресорі). Встановлено, що навіть при відносно низькій температурі нагріву робочого тіла (500 ºС), за умови високої ефективності компресора і турбіни, можна досягти гарних характеристик енергетичної установки в цілому. При температурі до 850 º С досягається термічний ККД на рівні 40%, але у цьому випадку збільшується вартість матеріалів і виробництва. Для остаточного висновку про можливість застосування запропонованої установки й її ефективність необхідно провести додаткові дослідження, зокрема, таких її основних елементів, як компресор, турбіна, теплообмінник та інші.

 

Ключові слова: теплова схема, електрогенеруюча установка, цикл Брайтона, рекуперація енергії, термічний ККД, турбіна, компресор, ефективність.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Європейський зелений курс: можливості та загрози для України. Аналітичний документ. Ресурсно-аналітичний центр «Суспільство і довкілля», 2020. 74 с. https://dixigroup.org/storage/files/2020-05-26/european-green-dealwebfinal.pdf
  2. Tian X., An C., Chen Z. The role of clean energy in achieving decarbonization of electricity generation, transportation, and heating sectors by 2050: A meta-analysis review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 182. Article no. 113404. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113404.
  3. Відновлювані джерела енергії / за заг. ред. С. О. Кудрі. Київ: Ін-т відновлюваної енергетики НАНУ, 2020 392 с.
  4. Jones D. European Electricity Review 2023: EMBER-climate: official site. 2023. https://ember-climate.org/insights/research/european-electricity-review-2023/#supporting-material-downloads.
  5. Нараєвський С. В. Порівняльний аналіз ефективності роботи сонячної та вітрової енергетики на світовому ринку. Економіка та держава. № 5. С. 33–38. https://doi.org/10.32702/2306-6806.2019.5.33.
  6. Renewable capacity statistics 2023: International Renewable Energy Agency (IRENA): official site. 2023. 69 p. https://www.irena.org/Publications/2023/Mar/Renewable-capacity-statistics-2023.
  7. Rahman F. Hydropower capacity should more than double by 2050 to meet climate goals, Irena says. The National News: E-paper. 2023. https://www.thenationalnews.com/business/energy/2023/02/14/hydropower-capacity-should-more-than-double-by-2050-to-meet-climate-goals-irena-says/.
  8. Суходоля О. М., Харазішвілі Ю. М., Бобро Д. Г., Сменковський А. Ю., Рябцев Г. Л., Завгородня С. П. Енергетична безпека України: методологія системного аналізу та стратегічного планування: аналіт. доповідь / за заг. ред. О. М. Суходолі. Київ: НІСД, 2020.178 c.
  9. Fernández-Arias P., Vergara D., Antón-Sancho Á. Bibliometric review and technical summary of PWR small modular reactors. Energies. Vol. 16. Iss. 13. Paper 5168. https://doi.org/10.3390/en16135168.
  10. Кудря С. О. Стан та перспективи розвитку відновлюваної енергетики в Україні. Вісник Національної академії наук України. 2015. № P. 19–26. https://doi.org/10.15407/visn2015.12.100.
  11. Jayakumar M., Gebeyehu K. B., Deso Abo L., Wondimu Tadesse A., Vivekanandan B., Sundramurthy V. P., Bacha W., Ashokkumar V., Baskar G. A comprehensive outlook on topical processing methods for biofuel production and its thermal applications: Current advances, sustainability and challenges. Fuel. Vol. 349. Article no.128690. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128690.
  12. Гелетуха Г. Г., Кучерук П. П., Матвєєв Ю. Б. Перспективи виробництва біометану в Україні. Аналітична записка UABIO. 2022. № 29. https://uabio.org/wp-content/uploads/2022/09/UA-Position-paper-UABIO-29.pdf.
  13. Калетнік Г. М., Пришляк Н. В. Розвиток галузі біопалива як детермінанта cталого розвитку України. Економіка АПК. № 2. С. 71–81. https://doi.org/10.32317/2221-1055.202102071.
  14. Федорейко В., Горбатюк Р., Іскерський І., Рутило М., Бурега Н., Загородній Р. Технології біоресурсної диверсифікації джерел енергії на базі генераторівутилізаторів: монографія; за заг. ред. В. Федорейка. Тернопіль: Підручники і посібники, 2022. 300 с.
  15. Singh A. K., Pal P., Rathore S. S., Sahoo U. K., Sarangi P. K., Prus P., Dziekański P. Sustainable utilization of biowaste resources for biogas production to meet rural bioenergy requirements. Energies. Vol. 16. Iss. 14. Article no.5409. https://doi.org/10.3390/en16145409.
  16. Маляренко В. А., Шубенко О. Л., Андрєєв С. Ю., Бабак М. Ю., Сенецький О. В. Когенераційні технології в малій енергетиці. Харків: ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2018. 454 c.
  17. Rusanov A., Shubenko A., Senetskyi O., Babenko O., Rusanov R. Heating modes and design optimization of cogeneration steam turbines of powerful units of combined heat and power plant. Energetika. Vol. 65. Nо. 1. P. 39–50. https://doi.org/10.6001/energetika.v65i1.3974.
  18. Rusanov A., Rusanov R., Klonowicz P., Lampart P., Żywica G., Borsukiewicz A. Development and experimental validation of real fluid models for CFD calculation of ORC and steam turbine flow. Materials. 2021. Vol. 14. Iss. 22. Paper 6879. https://doi.org/10.3390/ma14226879.
  19. Rusanov R., Szymaniak M., Rusanov A., Lampart P. Development of the 500 kW and 1 MW ORC turbine flow parts. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. Vol. 20. No. 3. P. 12–19. https://doi.org/10.15407/pmach2017.03.012.
  20. Rusanov A. V., Kostikov A. O., Shubenko O. L., Kharlampidi D. Kh., Tarasova V. O., Senetskyi O. V. Highly efficient cogeneration power plant with deep regeneration based on air Brayton cycleimpellers. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2019. V22. No. 4. P. 12–23. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.012.
  21. Kostikov A., Tarasova V., Kuznetsov M., Satayev M., Kharlampidi D. Thermoeconomical optimization of a regenerative air turbine cogeneration system. Journal of Thermal Engineering. Vol. 7. Iss. 7. P. 1719–1730. https://doi.org/10.18186/thermal.1025958.
  22. Rusanov A., Lampart P., Rusanov R., Bykuc S. Elaboration of the flow system for a cogeneration ORC turbine. Proceedings of 12th Conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow – ES 2013, Czech Republic, Pilzen, 13–14 June 2013. University of West Bohemia, 10 p.
  23. Rusanov A., Rusanov R., Lampart P. Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modeling. Open Engineering. Vol. 5. Iss. 1. P. 399–410. https://doi.org/10.1515/eng-2015-0047.
  24. Швець І. Т., Кіраковський Н. Ф. Загальна теплотехніка та теплові двигуни. Київ: Вища школа, 1977. 269 с.
  25. Cengel Y. A., Boles M. A. Thermodynamics: An engineering approach. Boston: McGraw-Hill, 2002. 452 p.

 

Надійшла до редакції 25.08.2023