Развитие систем охлаждения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин на возобновляемых источниках энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Аль Фурайджи Муштак Аббас Ораиби

• Аль Фурайджи Муштак Аббас Ораиби
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Аль Фурайджи Муштак Аббас Ораиби

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние исследований систем холодоснабжения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин

1.1 Системы холодоснабжения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин и методики анализа их эффективности

1.2 Циклы абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин

1.3 Развитие систем охлаждения в комплексных установках когенерации и тригенерации

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Методики и средства проведения теоретических и экспериментальных исследований

2.1 Методики расчета и анализа показателей действительных циклов абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин

2.1.1 Комбинированный цикл абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией (тип 1)

2.1.2 Комбинированный цикл абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией (тип 2)

2.2 Методика анализа эффективности газотурбинных установок в Ираке в зависимости от температуры воздуха перед компрессором

2.2.1 ^стояние энергетической отрасли ирака

2.2.2 Анализ эффективности газотурбинных установок в Багдаде в зависимости от температуры воздуха перед компрессором

2.3 Методика анализа эффективности систем охлаждения воздуха перед компрессором газотурбинных установок

2.4 Алгоритм моделирования солнечной системы охлажденияс абсорбционными бромистолитиевыми холодильными машинами

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Результаты исследований термодинамических циклов и эффективности газотурбинных установки и солнечных охлаждающих систем в Ираке

3.1 Комбинированный термодинамический цикл абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией (тип 1)

3.2 Комбинированный термодинамический цикл абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с двухступенчатой генерацией (тип 2)

3.3 Влияние температуры воздуха перед компрессором на эффективность газотурбинных установок в Ираке

3.4 Эффективность систем охлаждения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин на солнечной энергиив Ираке

3.5. Выводы по главе

ГЛАВА 4. Анализ эффективности разработанных систем холодоснабжения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин с приводом от возобновляемых источников энергии

4.1 Эффективность системы охлаждения установки тригенерации газотурбинных установок на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин

4.2 Технико-экономический анализ системы охлаждения воздуха

газотурбинных установок

4.3 Технико-экономические показатели солнечной системыохлаждения

4.4 Рекомендации по применению разработанных систем охлаждения

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

206

Список литературы

Список рисунков

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Холодильная индустрия в ХХ веке стала неотъемлемой частью человеческой цивилизации. Области применения холодильной техники постоянно расширяются. По оценке Международного института холода (Париж) темпы развития мирового холодильного сектора опережают рост других отраслей экономики. Доля потребляемой им электроэнергии в глобальном энергобалансе значительна и составляет сейчас порядка 20 %, к середине нынешнего века она может составить 25 %. В соответствии с прогнозом Международного энергетического агентства (IEA) расширение применения систем кондиционирования воздуха (СКВ) обусловит трехкратный рост энергопотребления ими к 2050 году. Постоянное увеличение доли потребляемой энергии техникой низких температур относится к серьезным вызовам для земного миропорядка.

Повышение энергоэффективности холодильных систем является основным трендом ее развития и весьма актуально в настоящее время. Существенный вклад в решение данной задачи может внести применение в технологиях охлаждения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относятся геотермальная и солнечная энергия, вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).

В странах с жарким климатом в летние месяцы нагрузка на энергосистемы значительно возрастает в связи с работой СКВ. В этот период электрогенерация газотурбинными установками (ГТУ) снижается если отсутствует охлаждение всасываемого компрессором воздуха, что создает дополнительные напряжения в электросетях. В Ираке ГТУ вырабатывают около 70 % электроэнергии. Охлаждение воздуха перед компрессором на большинстве их них не предусмотрено. Снижение электрогенерации в летние месяцы приводит к необходимости веерного отключения электроэнергии в этой стране. При этом ГТУ располагают большим

объемом ВЭР высокого температурного уровня, теплота которых может быть использована для производства холода.

Названые ранее тепловые ВИЭ эффективнее использовать в системах охлаждения, оснащенных теплоиспользующими холодильными машинами, к которым также относятся абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ). В парке солнечных холодильных машин, работающих на данный момент в мире, АБХМ составляют 70 %.

Развитие систем охлаждения на базе АБХМ с приводом от ВИЭ отвечает актуальным задачам развития холодильной техники и осуществления политики повышения энергоэффективности экономики и энергосбережения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие систем охлаждения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин на возобновляемых источниках энергии»

Цель работы

Разработка эффективных систем охлаждения на основе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин на возобновляемых источниках энергии.

Задачи работы

1) На основе анализа подобрать эффективные циклы АБХМ для последующего их применения в системах охлаждения на возобновляемых источниках энергии.

2) Разработать методики расчета и анализа выбранных циклов АБХМ.

3) Выполнить анализ показателей исследуемых циклов АБХМ.

4) Разработать методику анализа влияния охлаждения воздуха перед компрессором на эффективность газотурбинных электрогенерирующих установок.

5) Разработать алгоритм моделирования и методику оценки эффективности систем охлаждения на базе АБХМ на солнечной энергии.

6) Провести системный анализ показателей электрогенерирующей газотурбинной установки в г. Багдаде (Ирак) с целью повышения ее эффективности за счет охлаждения воздуха перед компрессором.

7) Определить технико-экономические показатели системы охлаждения тригенерационного комплекса ГТУ на базе АБХМ.

8) Определить эффективность систем охлаждения на базе АБХМ на солнечной энергии в Ираке.

9) Сформулировать рекомендации по применению разработанных систем охлаждения в условиях Ирака.

Научная новизна работы

1) Комплекс методик расчета термодинамических циклов АБХМ, влияния температуры воздуха на эффективность ГТУ, оценки эффективности систем охлаждения на базе АБХМ с приводом от ВИЭ.

2) Результаты сравнительного анализа показателей комбинированных циклов АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 1 и тип 2).

3) Показатели эффективности систем охлаждения на базе АБХМ на солнечной энергии и в тригенерационных комплексах ГТУ в климатических условиях Ирака.

4) Подтверждена целесообразность применения АБХМ на ВИЭ в условиях Ирака.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) В настоящее время развитие применения ВИЭ для целей охлаждения признано перспективным научным направлением.

2) В работе решена важная научно-техническая задача повышения эффективности систем охлаждения на основе использования АБХМ с приводом от ВИЭ.

3) Выполненные в диссертации исследования вносят вклад в развитие теории термодинамических циклов АБХМ; использования ВИЭ в технике низких температур; методик моделирования, расчета и анализа систем охлаждения на ВИЭ, разработки эффективных холодильных систем различного функционального назначения на базе АБХМ с приводом от ВИЭ.

4) Разработанные методики могут быть использованы для оценки эффективности абсорбционных холодильных систем в различных климатических условиях и определения их конструктивных параметров. Полученные новые научные данные по показателям действительных термодинамических циклов АБХМ, влияния температуры воздуха на эффективность ГТУ, параметрам охлаждающих систем на базе АБХМ с приводом от ВИЭ позволят расширить использование таких систем для промышленного холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

5) Реализация разработанных систем для охлаждения воздуха перед компрессором ГТУ в Ираке приведет к существенному увеличению электрогенерации в этой стране.

6) Разработанные рекомендации по применению АБХМ на исследованных термодинамических циклах, использованию холодильных систем на базе АБХМ с приводом от ВИЭ обеспечат их широкое распространение, что позволит повысить эффективность энергетических систем и приведет к экономии электроэнергии при холодоснабжении.

Положения выносимые на защиту

1) Методики расчета и анализа комбинированных циклов АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 1 и тип 2).

2) Методика системного анализа влияния температуры воздуха перед компрессором на эффективность газотурбинных электрогенерирующих установок.

3) Методики оценки эффективности систем охлаждения на базе АБХМ на солнечной энергии и в тригенерационных комплексах ГТУ.

4) Рекомендации по применению разработанных систем охлаждения в Ираке.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) X Конгресс молодых ученых (КМУ), ИТМО, Санкт-Петербург, 14.04.2021.

2) X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», ИТМО, Санкт-Петербург, 27.10.2021.

3) Пятидесятая - пятьдесят третья научные и учебно-методические конференции университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2021 -2024 гг

4) Seminar on Industrial Electronic Devices and Systems (IEDS), 27.10.2023.

5) Seminar on Electrical Engineering, Automation & Control Systems, Theory and Practical Applications (EEACS), 23.10.2023-25.10.2023.

Достоверность научных достижений

Методики проведения моделирования, исследований и анализа, разработки охлаждающих систем на базе АБХМ с использованием ВИЭ, выполненные в диссертации, основаны на результатах признанной и широко известной научной школы Университета ИТМО по развитию АБХМ и холодильных систем на их основе.

В диссертационной работе применены современные методы сбора и обработки информации; моделирования и анализа термодинамических циклов АБХМ; разработки эффективных систем охлаждения, использующих ВИЭ. Компьютерные модели расчета действительных термодинамических циклов АБХМ выполнены на языке программирования Fortran с использованием Mathcad, Microsoft Excel и Statistica. Достоверность полученных по моделям результатов подтверждена их всесторонним анализом и сопоставлением с данными других исследователей.

Полученные результаты эффективности и других технико- экономических показателей систем охлаждения ГТУ и абсорбционной солнечной холодильной системы базируются на апробированных расчетах и конструировании.

Внедрение результатов работы

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Университете ИТМО при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», в Ираке, в университете Майсан при подготовке бакалавров по направлению «Машиностроение».

Результаты работы направлены в Министерство электроэнергетики Ирака для рассмотрения вопроса реализации систем охлаждения воздуха ГТУ.

Публикации

В процессе работы над диссертацией опубликовано 11 научных работ, в том числе: 10 в изданиях, индексируемых в международных базах Scopus и Web of Science, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка перечня условных обозначений, списка литературы из 143 наименований. Общий объем работы составляет 279 страницу, в том числе 161 страницы основного текста, 42 рисунка и 23 таблицы.

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Глава 1

В первой главе выполнен квалифицированный обзор научной литературы в области развития систем охлаждения на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ) с приводом от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), а также исследований термодинамических циклов АБХМ. Проанализировано современное состояние исследований систем холодоснабжения и теплоснабжения на базе АБХМ и методик анализа их эффективности. Обоснована актуальность выбранного направления исследования.

Применение абсорбционных холодильных машин с приводом ВИЭ в системах охлаждения и кондиционирования воздуха приводит к повышению энергетической эффективности энергопотребляющих объектов и снижению выбросов парниковых газов. Эти машины находят применение в регионах с дефицитом электрических мощностей и доступностью дешевого природного газа. Они также выделяются эффективностью в системах когенерации и тригенерации.

За последнее десятилетие значительно вырос интерес к разработке АБХМ и систем охлаждения на их основе, работающих на солнечной энергии. Это подтверждается ростом числа научных публикаций по этой тематике, которое увеличилось более чем в 2,5 раза с 2013 по 2021 год, согласно данным Scopus.

К концу 2018 года в мире было установлено около 1800 солнечных систем охлаждения. Абсорбционные технологии составляют 72 % от их общего числа, что подчеркивает их перспективность в секторе возобновляемой энергетики.

Системы кондиционирования воздуха и охлаждения, работающие на солнечной энергии, особенно абсорбционные холодильные установки, представляют собой ключевое направление в снижении потребления электроэнергии и ископаемого топлива, а также в уменьшении выбросов парниковых газов.

Производство АБХМ ведется ведущими мировыми компаниями из Индии, Китая, Кореи, США, Японии, с общим выпуском тысяч машин в год, установленных и эксплуатируемых в сотнях стран по всему миру. Выпускаются преимущественно машины, работающие по одноступенчатому циклу и циклу с двухступенчатой генерацией раствора. При этом известно около 40 абсорбционных термодинамических циклов, многие из которых не изучены. Изучение параметров этих циклов и их реализация в АБХМ позволит расширить применение таких машин.

Когенерация и тригенерация представлены как эффективные методы производства энергии, позволяющие экономить топливо и увеличивать общую эффективность системы за счет одновременного производства электроэнергии, тепла и холода из одного ресурса. Указывается на актуальность этих разработок для Ирака, где введение систем охлаждения может значительно увеличить эффективность генерации электроэнергии ГТУ, особенно в летние месяцы.

Глава 2

Во второй главе разработаны методики и средства проведения теоретических и экспериментальных исследований для следующих объектов. Действительные термодинамические комбинированные циклы АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 1) и с двухступенчатой генерацией (тип 2). Системы охлаждения воздуха перед компрессором в газотурбинной установке (ГТУ) в городе Багдаде. Солнечная система охлаждения с использованием АБХМ на комбинированном цикле с двухступенчатой генерацией (тип 2).

Комбинированный цикл АБХМ с двухступенчатой генерацией раствора (тип 1) является продвинутым методом увеличения эффективности системы охлаждения за счет оптимизации процессов тепло- и массообмена. Цикл включает два контура циркуляции раствора: Л1^2 и которые обеспечивают комплексное

использование энергии, рисунок 1.

В этом цикле абсорбер А2 поглощает пары хладагента (воды) из испарителя (Е). Из А2 слабый водный раствор бромида лития подается в генераторы G1 и G3 через теплообменники 3 и 1. Абсорбер А1 используется для поглощения паров хладагента из генератора G3, что является связанным процессом массообмена. Слабый раствор из А1подается в генератор G2 через теплообменник 2. Из генераторов Gl и G2 пар направляется в конденсатор С, где он конденсируется. Конденсат из конденсатора возвращается в испаритель Е, замыкая цикл. Абсорберы А1 и А2, а также конденсатор С охлаждаются внешней средой. Источник нагрева последовательно проходит через генераторы ступеней G1, G2, и G3, позволяя таким образом увеличить практически в три раза отвод тепла от источника по сравнению с базовым одноступенчатым циклом. Это значительно повышает эффективность использования теплоты греющего источника.

Рисунок 1- Схема АБХМ на комбинированном цикле (тип 1)

Зона дегазации %) и кратность циркуляции раствора (а\) в контуре циркуляции раствора А1- 02

А£ =4 (1)

а

"2

(2)

«2 (4)

- Зона дегазации (Д^2, %) и кратность циркуляции раствора (а2) в контуре циркуляции раствора А2- Gl-Gз

А^2 = $гз ^а2 (3)

к

Удельный тепловой поток испарителя, кДж/кг;

%о = К - Кз (5)

Удельный тепловой поток конденсатора, кДж/кг;

дс = х ■ К3,+ (1 - х) ■ К3, - К3 (6)

.х — удельное количество пара рабочего вещества, образующегося при выпаривании раствора в генераторе G1, кг; Удельный тепловой поток абсорберов А1 и А2, кДж/кг;

Я« = (1 - х) ■ К + (а1 + х -1) ■ \ - а1 ■ \ (7)

^ = К1+ («2 - 1) ■ \ - а2 ■ к (8) Удельный тепловой поток генераторов, кДж/кг

% =(1 - х) ■ К + (а1 + х -1) ■ \ - х ■ К,- а1 ■ К (9) % = х■ Кз; + (а2 -х)-К -а2 ■ К (10)

^ = (1 - х) ■ К33 + (а2 - 1) ■ К43 - (а2 - х) ■ К (11) - Тепловой коэффициент цикла

С= %0 (12)

По окончании расчета проверяем тепловой баланс цикла

%0 + + + %3 = % + + %а2 (13)

Рисунок 2 - Блок - схема расчетов показателей изучаемых циклов

Комбинированный цикл АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 2) состоит из двух параллельно соединенных ступеней: одноступенчатого цикла абсорбционного бромистолитиевого повышающего термотрасформатора (АБПВТ) - А2 - G3 - С2) и цикла АБХМ с двухступенчатой генерацией (АБХМД) и прямоточной подачей раствора по ступеням генератора (Е - А1 - G1 - G2 - А1 -

С1).

АБХМ, работающая по исследуемому циклу, выполнена следующим образом. Водяной пар из испарителя Е абсорбируется в абсорбере А1 крепким раствором, поступающим из генератора G2 через теплообменник растворов 1. Из А1 слабый раствор направляется последовательно в генераторы Gl и G2 через растворные теплообменники 1 и 2. Выпариваемый греющим источником в G1 водяной пар разделяется на два потока: первый поступает в абсорбер А2 (внешне связанный процесс переноса массы), второй - обогревает генератор Gз (внешне связанный процесс переноса теплоты), рисунок 3. Крепкий раствор из G3 поступает в А2 через растворный теплообменник 3, где происходит процесс абсорбции с отводом теплоты на обогрев G2 (внешне связанный процесс переноса теплоты). Водяной пар

из генераторов G2 и Gз поступает в конденсатор С2. Конденсат из конденсатора С2 поступает в испаритель Е.

Рисунок 3 - Комбинированный цикл АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 2)

- Кратности циркуляции растворов

- В контуре холодильной машины:

а

5,

1 ¿5,

В контуре термотрансформатора:

5Л

(14)

а2 =

2

(15)

- Удельный тепловой поток испарителя, кДж/кг:

Яо = ^ - \

- Удельный тепловой поток конденсаторов, кДж/кг:

Як, =(х-У) •

(16)

2

где (х - у) : удельный поток хладагента в конденсаторе С1;

х : удельное количество пара рабочего вещества, образующегося при выпаривании раствора в генераторе G1, кг;

у : удельное количество пара хладагента, поглощаемого в абсорбере А2, кг;

ч^ = У • К +(1 - x) • +(x - y) • h- \

- Удельный тепловой поток абсорберов, кДж/кг

ча, = ^ +(о -!) • \ - о • \

Ча2 = ^ • ^ + (о1 - ^ * \ - 02 * \

- Удельный тепловой поток генераторов, кДж/кг

= х • ' + (о - х) • ^ - о • ^

Ч^ =(1 - х) • + (0 -1) • \ - (0 - х) * Ь

Чк = У • + («2 - У)-- «2 • \

(18)

(19)

(20)

(21) (22) (23)

х и _у определяем из решения системы уравнении

Чи- = Ча

qh = q

- ТепловоИ коэффициент

Чо_

ТепловоИ баланс цикла

Чо + Чк = + Ча

(24)

(25)

(26)

(27)

Моделирование проводилось с использованием математических моделеИ на Fortran 90 по методике Университета ИТМО, блок-схема рисунок 2.

Энергетическая отрасль в Ираке сталкивается с серьезными проблемами из-за быстрого роста экономики и населения. Обеспечение потребителей надежным

электроснабжением представляет собой ключевую проблему, с которой сталкивается Ирак. Для ее решения в Ираке необходимо нарастить производство электроэнергии, рисунок 4.

• Peak demand unchecked ( Peak demand with incentives I 2018 available capacity S Raise availability of existing capacity New capacity Improved networks

Рисунок 4 - Спрос и предложение электроэнергии в Ираке, 2018-2030 гг

В Ираке 68 % от общей электрогенерации осуществляют газотурбинные установки (ГТУ). Повышение эффективности этих станций улучшит обеспечение потребителей электроэнергией. Данная задача может быть решена за счет охлаждения всасываемого компрессором ГТУ воздуха, температура которого летом составляет в среднем 45 °С. При его охлаждении увеличивается массовый расход сжимаемого компрессором воздуха, что увеличивает мощность горелки и поток рабочего газа (продукты горения), поступающего на турбину. Это в свою очередь обеспечивает увеличение выработки электроэнергии и снижение удельного расхода природного газа. Воздух может охлаждаться АБХМ с приводом от теплоты выхлопных газов.

В качестве объекта изучения выбрана газовая турбина General Electric GT MS5001 PA мощностью 25 МВт электростанции в Южном Багдаде, оборудованная 16 такими же газотурбинами, общей проектной мощностью 400 МВт. Параметры газотурбинной установки приведены в таблице 1.

Таблица 1- Технические характеристики выбранной газотурбинной установки

№ Наименование Параметры Единицы Величина

Расход воздуха кг/с 122,2

1 Компрессор Степень повышения давления компрессора 10,5

Расход воздуха кг/с 122,2

2 Камера сгорания Температура газа перед газовой турбинной ос 1100

Расход топлива кг/с 2,6

Расход рабочего газа кг/с 124,8

Газотурбинная Мощность кВт 26300

3 установка

Температура уходящих газов о 487

КПД % 26,3

Уравнения для расчета производительности и эффективности изучаемой ГТУ

- Температура воздуха за компрессором при изоэнтропиномом сжатии, К:

к-1

т25 = Т • (Рг) к (28)

Где Т\- температура наружного воздуха; (рг) - степень повышения давления; ка : показатель адиабаты.

Изоэнтропийное повышение температуры воздуха, К:

АТИ = Т2, - Т (29)

- Изменение действительной температуры в компрессоре, К:

А Т = АТ^ (30)

к Лк

Действительная температура воздуха на выходе из компрессора, К:

Т = Т + АГ (31)

- Внутренний напор действительном процессе сжатия в компрессоре, кДж/кг:

Н = Сре -АТк (32)

Определение изоэнтропийной температуры на выходе из турбины, К:

/ к-

Т= Тз/(Р) к (33)

- Изоэнтропийное изменение температуры газов в турбине, К:

АТТ8 = Тз - (34)

- Действительное изменение температуры газов в турбине, К:

АТт = АТЙ Щ (35)

- Действительная температура газа на выходе из турбины, К:

Т4 = Тз -АТт (36)

- Удельная работа расширения газа в турбине в действительном процессе, кДж/кг:

Нт = Срг •АТт (37)

- Массовый расход рабочего газа в турбине, кг/с:

Мг = Мв + Мт (38)

- Мощность, развиваемая турбиной установки, кВт:

N = Мг • Нт • пт (39)

Мощность, потребляемая компрессором установки, кВт:

N = Мв • Н / л, (40)

Мощность газотурбинной установки, кВт:

N. = N - N (41)

- Подводимое тепло в камере сгорания, кВт:

О* = Мг • СРГ-(Тз - Т2)

- Эффективный КПД установки:

Пе = N/(Мт • Онр)

- Удельный расход воздуха на установку:

Вв =3600 •М в/ N Удельный расход топливного газа на установку:

(43)

(44)

В = 3600^М /N

(45)

Использование АБХМ, работающих на теплоте отходящих дымовых газов с температурой около 480°С газотурбинной станции, представляется как предпочтительный метод для охлаждения воздуха, подаваемого в компрессор, рисунок 5. Теплота этих газов не используется

Рисунок 5- Схема ГТУ с охлаждение воздуха АБХМ

Требуемая холодопроизводительность для охлаждения воздуха (отводимый тепловой поток от воздуха), кВт

0о = Мв-Срв -АТв

(46)

Где; Срв - теплоемкость воздуха (кДж/кг К); Мв- массовый расход воздуха (кг/с);

Д*:в разность температур воздуха на входе и выходе из охладителя (°С); Необходимый для привода АБХМ тепловой поток, кВт

<2ъ (47)

^ СОР ( )

СОР - тепловой коэффициент АБХМ

Тепловой поток, отводимый от дымовых газов в котле-утилизаторе (кВт)

(}г = Срг • Мг (48)

Также разработаны методика оценки эффективности системы охлаждения воздуха на базе АБХМ, позволяющая рассчитывать основные экономические показатели и срок окупаемости инвестиций, и алгоритм моделирования солнечной системы охлаждения с АБХМ.

Глава 3

В третьей главе диссертации представлены результаты исследований действительных термодинамических циклов АБХМ, анализа влияния

температуры воздуха перед компрессором на эффективность ГТУ и эффективности системы охлаждения на базе АБХМ на солнечной энергии в Ираке в Ираке.

На рисунке 6 представлены графики зависимостей теплового коэффициента действительных термодинамических циклов АБХМ (тип 1) и одноступенчатой АБХМ от зоны дегазации (Д^) при различной подаче охлаждающей среды.

С

0.8 0.75 0.7 035 0.45 0,4

1 »• •

т = 12°С ЙЫ2 = 28°С А

-параллельная

подача . _ _ ступенчатая подача

последовательная ''~ подача _

-•— параллельная

подача . А _ ступенчатая подача

АБХМ с двухступенчатой _ абсорбцией н трехступенчатой генерацией

. одноступенчатая АБХМ

6 Д42,%

Рисунок 6 - Графики зависимостей теплового коэффициента от зоны дегазации при различной подаче охлаждающей среды

По графику на рисунке 6, видно, что при принятых условиях осуществления циклов величины в зависимости от находятся в следующих пределах: исследуемый цикл 0,47^0,49, одноступенчатый цикл 0,69^0,75. С увеличением зоны дегазации от 3 до 6 % величина £ исследуемого и одноступенчатого цикла возрастает соответственно на 4 % и 9 %.

На Рисунке 7 представлены графики изменения необходимой для осуществления циклов температуры греющего источника, подаваемого в генератор АБХМ (тип 1) и одноступенчатой АБХМ в зависимости от зоны дегазации, при различной подаче охлаждающей среды.

йи, °С 115

110

105

100

95

90

85

80

X

/¿1 = 12°С Ы-з12 = 28°С ✓ * ✓

* У к'

к " _____

4 г ---- --- —

параллельная подача

ступенчатая подача

последовательная подача __

параллельная " подача

последов ательн ая

подача

АБХМ с двухступенчатой

абсорбцией н трехступечатой генерацией

одноступенчатая АБХМ

6 ДС,2, %

Рисунок 7 - Графики зависимостей температуры греющего источника от зоны дегазации при различной подаче охлаждающей среды

Из рисунка 8 следует, что холодопроизводительность (^0) АБХМ на исследуемом цикле в среднем в два раза превышает Q0 одноступенчатой АБХМ. Расчеты выполнены при массовом расходе греющей воды Gh = 40 кг/с.

Qo, кВт 2800

2600 2400 2200 2000

1200 1000

---

-—

Г / и 1 = 12°С Гн-а12 = 28°С X

-

_параллельна?

подача

___ступенчатая

подача

_ _ _ последовательная подача

параллельная подача

- А-

последовательная подача

АБХМ с двухступенчатой

абсорбцией н трехступечатой генерацией

одноступенчатая — АБХМ

6 %

Рисунок 8 - Графики зависимостей холодопроизводительности АБХМ от зоны дегазации при различной подаче охлаждающей среды

При летних климатических условиях Ирака температура воды на выходе из градирни составляет 33,1 °С. При ^ = 35°С и А£, = 4 % £ цикла 1 равен 0,46. Температура греющего источника (?ы)для исследуемого цикла находится в пределах 99 ^ 109 °С, что в среднем на 12 °С ниже чем для цикла образца.

Применение АБХМ с изученным циклом целесообразно в условиях лимитированного расхода греющей среды, и необходимости обеспечения большой холодопроизводительности.

На рисунке 9 представлены графики изменения Ы, необходимой для осуществления комбинированного термодинамического цикла АБХМ с двухступенчатой генерацией (тип 2).

йт, °С 160

150

140

130

120

110

ЮО

90

80

/.г1 = 120С = СОГС5Г

*---- __ ______ ►

. _ . А._

_

- о

%

■ 11=20°С -Пуа11=30°С

— •— £\л.га11=25°С --* — 11=35°С

Рисунок 9 - Графики зависимостей температуры греющего источника от зоны

дегазации

На рисунке 10 представлены графики зависимостей £ цикла АБХМ тип 2 от зоны дегазации.

С

1.08

1.04

0.96

0.92

0.88

0.84

0.8

*г1 = 12°С - СО«5Г

—

• —

г. - * — "

^а11=20°С -П\'а11=30°С

П\'а11=25°С 1\\га11=35°С

Рисунок 10 - График зависимостей теплового коэффициента от зоны дегазации

Выполненный расчетный анализ цикла АБХМ (тип 2) при различной температуре охлаждающей воды показал следующее. В исследуемом цикле в условиях Ирака требуемая на 35 °С выше в сравнении с одноступенчатым циклом и 31 °С ниже чем для цикла с двухступенчатой генерацией раствора. £ составляет 0,9, одноступенчатого цикла и цикла с двухступенчатой генерацией раствора - 0,693 и 1,11 соответственно. Исследуемый цикл проигрывает по эффективности циклу с двухступенчатой генерацией раствора, но выигрывает по температурному уровню необходимого греющего источника. Последнее обстоятельство может быть определяющим при принятии решения о применении АБХМ на исследуемом цикле в системах охлаждения.

С использованием абсорбционной системы температура входящего в компрессор ГТУ воздуха может быть понижена до 15 °С, что приведет к увеличению выходной мощности газовой турбины и снижению удельного расхода топлива. Рисунки 11,12 показывают результаты системного анализа параметров работы газовой турбины в зависимости от изменений температуры воздуха перед компрессором.

Рисунок 11- Зависимость массового расхода воздуха от его температуры перед

компрессором

Рисунок 12 - Зависимость выходной мощности ГТУ от температуры воздуха на

входе в компрессор

При понижении начальной температуры воздуха в компрессоре от 55 °С до 15 °С выходная мощность ГТУ возрастает на 48 %, тепловой КПД увеличивается на 16 %, удельный расход топлива (природного газа) снижается на 16 %. Реализация

систем охлаждения воздуха перед компрессором на ГТУ в Ираке позволит увеличить выработку электроэнергии в летний период.

В исследовании подчеркивается эффективность использования АБХМ на солнечной энергии в районах с высокой интенсивностью солнечного излучения, где многоступенчатые процессы генерации раствора представляют собой оптимальный выбор. В работе выполнен анализ такой системы с АБХМ на цикле тип 2, рисунок 13.

Рисунок 13 - Схема солнечной системы охлаждения с АБХМ на цикле тип 2

1 -Градирня, 2-аккумулятор теплоты, 3-солнечные коллекторы аккумулятора теплоты, 4-солнечные коллекторы резервуара 5, 5-резервуар теплоносителя, 6-

газовый котел, 7- АБХМ

Теплоноситель, нагретый в солнечных коллекторах 4 до требуемой температуры, подается в резервуар горячего теплоносителя 5, откуда направляется

на обогрев генератора Gi АБХМ 7. Охлажденная в градирне 1 вода подается для отвода теплоты в абсорбер А1 и конденсатор С2. Охлажденный в испарителе Е теплоноситель отводит теплоту от охлаждаемого объекта. Вторая система солнечных коллекторов 3 служит для аккумулирования теплоты. Запасенная в аккумуляторе 2 контейнерного типа с веществом с фазовым переходом теплота используется для привода АБХМ при снижении солнечной активности. В системе предусмотрен газовый котел 6 на 20 кВт (8 % от теплового потока в G1) для нагрева теплоносителя генератора, который может включаться при недостаточном количестве солнечной энергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль Фурайджи Муштак Аббас Ораиби, 2024 год

Список источников

1. Xu Z. Y., Wang R. Z. Comparison of СРС driven solar absorption cooling systems with single, double and variable effect absorption chillers // Solar Energy. 2017. Vol. 15B. P. 511—519. DOI: 10.1016/j .solener.2017.10.014.

2. Chahartaghi M., Golmohammadi H., Shojaei A. F. Performance analysis and optimization of new double effect lithium bromide—water absorption chiller with series and parallel flows// International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 97. P. 73 —Б7. DOI: 10.1016/j .ijrefri g. 201В .0 B.011.

3. Степанов К. И., Мухин Д. Г., Волкова О. В., Баранен-ко А. В. Анализ СОР термодинамического цикла АБХМ с двухступенчатой абсорбцией при получении отрицательных температур охлаждения // Вестник Международрой академии холода. 2016. № 1. С. Вб—92. DOI: 10.21047/1606^4313-2016-16-1-В6-92.

4. Aprilе М., Toppi Т., Qarone S., Motta М. STACY-А mathematical modelling framework for steady-state simulation of absorption cycles // International Journal of Refrigeration. 201B. Vol. BB. P. 129-140. DOI: 10.1016/j.ij'refrig.2017. 12.019.

5. Bowie D., Cruickshank C.A. Experimental evaluation of a triple-state sorption chiller// International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. Bl. P. 12-25. DOI: 10.1016/j.i]'refrig.2017.05.009.

6. Xu Z. Y., Wang R. Z. Absorption refrigeration cycles: Categorized based on the cycle construction // International Journal of Refrigeration. 2016, Vol. 62. P. 114-136. DOI: 10.1016/]. :jrefrig.2015.10.007.

7. Lubis A., Jeong J., Saito K. [et al.]. Solar-assisted single-double-effect absorption chiller for use in Asian tropical dimates// Renewable Energy. 2016. Vol. 99. P. B25— В35. DOI: 10.101 б/j .renene.2016.07.055.

Б. Sarabia Escriva E. J., Lamas Sivila E. V., Soto Frances V. M. Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector field. Application to Spanish climates // Solar Energy. 2011. Vol. 65. P. 210B —2121. DO I: 10.1016/f .solener.2011.05.019.

9. She X., Yin Y., Xu M., Zhang X. A novel low-grade heat-driven absorption refrigeration system with IiCl-P^O and LiBr-P^O working pairs // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 5B. P. 219-234. DO I: 10.1016/].i]refrig.2015.06.016.

10. López-Zavala R., Veláaquea-limón N., González-Uribe L. A. [et al.]. A novel IiBr/P^O absorption cooling and desalination system with three pressure levels // International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 99. P. 469-47B. DOI; 10.1016/j. ijrefri g.2019.01.003.

11. Lubis A., Jeong J., Giannetti N. [et al.]. Operation performance enhancement of single-double-effect absorption chiller // Applied Energy. 201B. Vol. 219. P. 299 - 311. DOI: 10.1016/j .apenergy. 201В .03.046.

12. Castro J., Famós J., Papakokkinos G. [et al.]. Transient model for the development of an air-cooled IiBr-P^O absorption chiller based on heat and mass transfer empirical correlations // International Journal of Refrigeration 2020. Vol. 120. P. 406—419. DO I: 10.1016/j .ijrefri g. 20 20.0 В .030.

13. Sharifi S., Nozad Heravi P., Shirmohammadi R. [et al.]. Comprehensive thermodynamic and operational optimization of a solar-assisted IiBr/water absorption refrigeration system // Energy Reports. 2020. Vol. 6. P. 2309-2323. DOI: 10.1016/j. egyr.2020.0B.013.

14. Aguilar-Jiménez J. A., Velazquez-limón N., López-Zavala R. [et al.]. Optimum operational strategies for a solar absorption cooling system in an isolated school of Mexico // International Journal of Refrigeration 2020. Vol. 112. P. 1-13. DOI: 10.1016/f. ij'refrig.2019.12.010.

15. Xu Z. Y., Gao J. Т., Mao H. C. [et al.]. Wang Double-section absorption heat pump for the deep recovery of low-grade waste heat // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 220. 113072. DOI: 10.1016/].enconnian.2020.1130 7 2.

16. Бараненко А. В., Бухарин H. Н., Пекарев В. И. [и др.]. Холодильные машины / под общ. ред. Л. С. Тимофеевского. Санкт-Петербург: Политехника, 2006.941 с. ISBN" 5-7325-0792-2.

17. Бараненко А. В., Тимофеевский Л. С., Долотов А. Г. [и др.]. Абсорбционные преобразователи теплоты: моногр. Санкт-Петербург: Изд-во СПбГУНиПТ, 2005. 337 с. ISBN 5-В9565-116-Х.

МААИНИНА Ольга Сергеевна, кандидат технических наукг доцент (Россия:), доцент факультета энергетики и экотехнологий. SPIN-код: 6840-9272 AuthorID (РИНЦ): 709687 AuthorID (SCOPUS): 57203591145 ResearcherID: Т-5313-2018 Адрес для переписки: [e-mail] БАРАНЕНКО Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор, советник при ректорате.

SPIN-код: 5621-0524

AuthorID (РИНЦ): 173759

ORCID: 0000-0003-3675-9513

AuthorID (SCOPUS): 6602940582

ResearcherID: Т-4251-2018

.Адрес для переписки: [e-mail]

АЛЬФУ РАИД Ж И My ш так Аббас Ораиби, аспирант

факультета энергетики и экотехнологий.

ORCID: 0000-0003-2033-6911

AuthorID (SCOPUS): 57211786329

ResearcherID: ААТ-8317-2020

Адрес для переписки: [e-mail]

ЛЯДОВА Е^еиа Евгеньевна, аспирант факультета

энергетики и экотехнологий.

.Адрес для переписки: [e-mail]

КОМАРОВ Кирилл Андреевич, студент гр. W42152

факультета энергетики и экотехнологий.

Адрес для переписки: [e-mail]

Дпл цитирования

Малинина О. С., Бараненко А. В., Аль-Фураиджи М. А., Лядова Е. Е., Комаров К. А. Эффективность абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины с многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации со связанным потоком массы // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 2. С. 9—17. DOI: 10.25206/25ВВ-0373-2021 -5-2-9-17.

Статья поступила в редакцию 03.02.2021 г. © О. С. Малинина г А. В. Бараненко, М- А. Аль-Фураиджи, Е- Е. Лядова, К^ А. Комаров

UDC 621.574.013-932.2

DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-2-9-17

EFFICIENCY OF LITHIUM BROMIDE ABSORPTION CHILLER WITH MULTI STAGE ABSORPTION AND GENERATION PROCESSES WITH ASSOCIATED MASS FLOW

O. 5. Malinina, A. V. Baranenko, M. A. Al-Furaiji, E. E. Lyadova, K. A. Komarov

IT MO University, Russia, Saint Petersburg, Kronverksky Ave., 49, 197101

A study of the cycles of a lithium bromide-water absorption chiller with two-stage absorption and three-stage generation of a working substance vapor with an associated mass flow with different supply of the cooling medium to the apparatus has been carried out. The temperature of the heating source necessary for the implementation of the actual thermodynamic cycle of the Lithium Bromide-Water Absorption Chiller (LBWAC) and the most effective thermodynamic cycle has been determined. A comparative analysis of the cycle understudy with the sample cycle (one-stage cycle) LBWAC is carried out. Despite the lower values of the coefficient of performance (COP), the cycle under study provides a doubling of the cooling capacity of the machine, at the same flow rate of the heating source, which is an advantage when the flow rate of the heating source is limited. This circumstance is explained by the fact that in LBWAC with multi-stage absorption and generation, the heating source sequentially passes through three generator stages. Therefore, the degree of cooling in the chiller with the considered cycle is three times higher than this value of a single-stage LBWAC.

Keywords: lithium bromide-water absorption chiller, two-stage absorption, three-stage generation, associated mass flow, efficiency, actual thermodynamic cycle.

Acknowle d g me nt 5

The article is written as part of the research work No. 620154 «Environmentally friendly technologies of energy saving and increasing the efficiency of low-temp erature systems».

1. Xu Z. Y., Wang R. Z. Comparison of CPC driven solar absorption cooling systems with single, double and variable effect absorption chillers // Solar Energy. 2017. Vol. 15B. P. 511—519. DOI: 10.1016/j.solener.2017.10.014. (In Engl.).

2. Chahartaghi M., Golmohammadi H., Shojaei A. F. Performance analysis and optimization of new double effect lithium bromide—water absorption chiller with series and parallel flows // International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 97. P. 73 —B7. DOI: 10.1016/j .ijrefrig. 201 B.OB .011. (In Engl.).

3. Stepanov K. I., Mukhin D. Volkova O. V., Baranen-ko A. V. Analiz COP termodinamicheskogo tsykla ABKHM s dvukhstupenchatoy absorbtsiey pri poluchenii otritsaternykh tempera tur okhlazhdeniya [Analysis of COP thermodynamic cycle LB AC with two-level absorption when obtaining negative temperatures of cooling] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii klioloda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2016. Vol. 1. P. B6-92. DOI: 10.21047/1606^4313-2016-16-1-66-92. (In Russ.).

4. April e M., Toppi T., Garone S, Motta M. STACY-A mathematical modelling framework for steady-state simulation of absorption cycles // International Journal of Refrigeration. 201B. Vol. BB. P. 129-140. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2017.12.019. (In Engl.).

5. Bowie D., Cruickshank C. A. Experimental evaluation of a triple-state sorption chiller // International Journal of Refrigeration. 2017. Vol. Bl. P. 12-25. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2017.05.009. (In Engl.).

6. Xu Z. Y., Wang R. Z. Absorption refrigeration cycles: Categorized based on the cycle construction // International

Journal of Refrigeration. 2016. Vol. 62. F. 114- 136. DOI: 10.1016/j. :jrefrig.2015.10.007. (In Engl.).

7. Lubis A., Jeong J., Giannetti N. [et al.]. Operation performance enhancement of single-double-effect absorption chiller // Applied Energy. 20IB. Vol. 219. P. 299-311. DOI: 10.1016/j.apenergy.201B.03.046. (In Engl.).

B. Sarabia Escriva E. J., Lamas Sivila E. V., Soto Frances V. M. Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector field. Application to Spanish climates // Solar Energy. 2011. Vol. B5. P. 210B —2121. DOI: 10.1016/j.solener.2011.05.019. (In Engl.).

9. She X., Yin Y., Xu M., Zhang X. A novel low-grade heat-driven absorption refrigeration system with LiCl-F^O and LiBr-F^O working pairs // International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 5B. P. 219 — 234. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2015.06.016. (In Engl.).

10. López-Zavala R., Velazquez-limón N., Gonzilez-Uribe L. A. [et al.]. A novel LiBr/HjO absorption cooling and desalination system with three pressure levels // International Journal of Refrigeration. 2019. Vol. 99. P. 469 -47B. DOI: 10.1016/j. :jrefrig.2019.01.003. (In Engl.).

11. Lubis A., Jeong J., Giannetti N. [et al.]. Operation performance enhancement of single-double-effect absorption chiller // Applied Energy. 20IB. Vol. 219. P. 299-311. DOI: 10.1016/j .apenergy. 201B .03.046. (In Engl.).

12. Castro J., Famós J., Fapakokkinos G. [et al.]. Transient model for the development of an air-cooled LiBr-F^O absorption chiller based on heat and mass transfer empirical correlations // International Journal of Refrigeration. 2020. Vol. 120. P. 406—419. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2020.0B.O30. (In Engl.).

13. Sharifi S., Nozad Heravi F., Shirmohammadi R. [et al.]. Comprehensive thermodynamic and operational optimization of a solar-assisted Li Br/water absorption refrigeration system // Energy Reports. 2020. Vol. 6. P. 2309-2323. DOI: 10.1016/j. egyr.2020.0B.013. (In Engl.).

14. Aguilar-Jiménez J. A., Velazquez-Limón N., López-Zavala R. [et al.]. Optimum operational strategies for a solar absorption