Повышение эффективности поршневых двигателей с использованием технологии органического цикла Ренкина
Томас Кларк, Главный инженер проекта, ElectraTherm.
Юрий Терпеньянц, Региональный директор по развитию бизнеса
Введение
Работа поршневых двигателей изучена достаточно подробно, и их эффективность легко поддается расчету. Однако её повышение связано с рядом сложностей: требуется усложнение конструкции, рост затрат и повышение требований к обслуживанию оборудования. При этом значительная часть энергии двигателя теряется в виде тепла, которое отводится через систему охлаждения и выхлопные газы.
Поэтому целесообразно рассматривать это тепло как потенциальный источник дополнительной энергии. В большинстве случаев оно просто рассеивается в окружающую среду, хотя может быть эффективно использовано.
Технология органического цикла Ренкина (ORC) известна давно, но только с развитием компактных установок малой мощности она получила широкое коммерческое применение. Сегодня такие системы позволяют утилизировать бросовое тепло поршневых двигателей и преобразовывать его в электрическую энергию.
Современные ORC-решения используют тепло охлаждающей жидкости и выхлопных газов, обеспечивая дополнительную генерацию электроэнергии без расхода топлива и без увеличения выбросов. В зависимости от конфигурации системы повышение эффективности может достигать 12%.
Дополнительно ORC может выполнять функцию системы охлаждения, заменяя радиатор. Это позволяет снизить капитальные затраты и сократить срок окупаемости проекта до 2–3 лет.
Как работает органический цикл Ренкина
Процессы в органическом цикле Ренкина аналогичны процессам парового цикла, однако вместо воды используется рабочее вещество с низкой температурой кипения.
Основные этапы работы:
- тепло нагревает рабочее вещество в испарителе
- образующийся пар под давлением поступает в детандер и вращает генератор
- после этого пар охлаждается и конденсируется
- жидкость возвращается в цикл с помощью насоса
Использование органических рабочих веществ позволяет эффективно работать даже с низкотемпературными источниками тепла.
В установках ElectraTherm применяется хладагент R245fa — негорючее и нетоксичное вещество с температурой кипения около 15°C, что делает его удобным для подобных применений.
Отличительные особенности технологии ElectraTherm
Ключевым элементом установок ElectraTherm является двухвинтовой полугерметичный детандер, разработанный на базе технологий BITZER.
Применение такого решения обеспечивает:
- высокую надежность конструкции
- отсутствие сальниковых уплотнений
- стабильную работу при переменных нагрузках
- упрощенную масляную систему
- снижение затрат на обслуживание
Использование винтовой технологии позволяет работать даже в нестабильных условиях, включая режим с частичным присутствием жидкости в рабочем потоке.
Интеграция инженерных решений BITZER и ElectraTherm позволила создать эффективные ORC-агрегаты серии Power+, мощностью до 125 кВт.
ORC генераторы – самые эффективные системы охлаждения
Интеграция ORC-установки с генератором позволяет использовать её в качестве системы охлаждения двигателя.
В этом случае установка выполняет сразу две функции:
- отводит тепло
- вырабатывает дополнительную электроэнергию
Это позволяет отказаться от традиционного радиатора и снизить энергопотребление за счет исключения работы вентиляторов.
В результате:
- увеличивается общая мощность установки
- снижается расход топлива
- повышается эффективность системы до 12%
Дополнительно возможно использование различных конфигураций — например, работа только с охлаждающей жидкостью или комбинированное использование тепла выхлопных газов.
О компании ElectraTherm
Ранее технологии эффективного преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию практически отсутствовали. Сегодня ElectraTherm занимает лидирующие позиции в разработке компактных ORC-систем.
Компания реализовала десятки проектов по всему миру, с общим временем работы оборудования более 1,5 млн часов.
Основные особенности решений:
- модульная конструкция
- простота монтажа
- минимальные требования к обслуживанию
- работа с источниками тепла от 77 до 150°C
Оборудование применяется в энергетике, промышленности и на объектах распределенной генерации, включая удаленные регионы.
Практический опыт эксплуатации оборудования ElectraTherm
Реальные проекты подтверждают эффективность технологии.
В США (Аляска) ORC-установки используются для утилизации тепла дизельных генераторов и позволяют получать дополнительную электроэнергию при высокой стоимости топлива.
В проектах Министерства обороны США технология показала высокую надежность, простоту эксплуатации и возможность замены радиаторов.
В Европе (Словакия) ORC применяется на ТЭЦ для дополнительной генерации электроэнергии из остаточного тепла.
Во всех случаях срок окупаемости составляет около 2 лет.
Заключение
Скриншот окна программы Smarter Tool с примером расчета теплового баланса агрегата 6500В
Эффективность внедрения ORC определяется рядом факторов: температурой источника тепла, режимом работы оборудования, стоимостью электроэнергии и условиями эксплуатации.
Современные инструменты расчета позволяют точно подобрать оборудование и оценить экономическую целесообразность проекта.
Использование органического цикла Ренкина дает возможность преобразовать ранее теряемую тепловую энергию в полезную электроэнергию, повысить эффективность установок и снизить эксплуатационные затраты.
Технологии ElectraTherm в сочетании с решениями BITZER формируют современный подход к утилизации энергии и повышению эффективности промышленных систем.