Теоретическая оценка влияния систем охлаждения и рекуперации на энергоэффективность компрессорных агрегатов на базе поршневых длинноходовых ступеней

В настоящее время поршневые и мембранные компрессорные агрегаты среднего и высокого давления (3,0….10,0 МПа и более) и малой производительности (0,001…0,03 м3/с) сохраняют свою конкурентоспособность. Улучшить их технические характеристики можно разными путями, в том числе применением длинноходовых ступеней. В одной такой ступени давление газа может быть увеличено с 0,1 до 3,0…11,0 МПа без превышения температурных ограничений. Одно из направлений исследования таких ступеней — определение наиболее эффективного теплового режима их работы. Возможными вариантами являются создание квазиизотермического рабочего процесса сжатия с интенсивным внешним охлаждением цилиндра и квазиадиабатного рабочего процесса сжатия без интенсивного внешнего охлаждения цилиндра. Приведены результаты теоретической оценки эффективности применения систем охлаждения и рекуперации в компрессорных агрегатах на базе поршневых длинноходовых ступеней. Показана возможность обеспечения режима, при котором температура нагнетаемого газа отличается от температуры газа на всасывании на 40…80 К, что для отношения давления нагнетания к давлению всасывания, составляющего 30…100, следует признать хорошим достижением. Выявлена теоретическая возможность увеличения температуры нагнетания до 500…900 К, что позволяет эффективно использовать систему рекуперации теплоты сжатых газов на основе цикла Ренкина.

Литература

[1] Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. Ed. Perry R.H., Green D.W. New York, McGraw Hill Education, 2007. 2400 p.

[2] Dixon S.L. Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery. New York, Pergamon Press, 1978. 263 p.

[3] Aungier Ronald H. Centrifugal Compressors A Strategy for Aerodynamic design and Analysis. ASME Press, 2000. 320 p.

[4] Abdan S., Stosic N., Kovacevic A., Smithand I., Deore P. Identification and analysis of screw compressor mechanical losses. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, vol. 425, iss. 1, no. 012015, doi: 10.1088/1757-899X/425/1/012015

[5] Yusha V.L., Busarov S.S., Goshlya R.Yu., Vasiliev V.K. The Experimental Research of the Operating Processes in Slow Speed Stages of Air Reciprocating Medium-pressure. International Conference on Oil and Gas Engineering, 2017, pp. 020039-1–020039-7, doi: 10.1063/1.4998859

[6] Yusha V.L., Busarov S.S., Gromov A.Yu. Assessment of the Prospects of Development of Medium-Pressure Single-Stage Piston Compressor Units. Chemical and Petroleum Engineering, 2017, vol. 53(7–8), pp. 453–458, doi: https://doi.org/10.1007/s10556-017-0362-2

[7] Süleyman Sapmaz, Durmuş Kaya, Muharrem Eyidoğan. Energy Conservation and Emission Reduction through Waste Heat Recovery on Compressed Air Systems. International Journal of Ecosystems and Ecology Sciences, 2016, vol. 6(4), pp. 509–514.

[8] Heat recovery from compressed air systems. KAESER COMPRESSORS. URL: https://us.kaeser.com/download.ashx?id=tcm:46-37650 (accessed 15 May 2019).

[9] Efficient heat recovery systems for air compressors. CompAir. URL: http://www.compair.com/pdfs/brochures/en/Heat_Recovery_Brochure.pdf (accessed 15 May 2019).

[10] Heat recovery with AERZEN turbos, blowers and compressors. Reduce costs for compressed air generation. URL: https://www.aerzen.com/fileadmin/user_upload/02_documents/02-03_accessories/heat_recovery/A1-030-EN.pdf (accessed 15 May 2019).

[11] Improving Compressed Air System Performance. A source book for industry. U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy, November 2003, 128 p. URL: https://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_assistance/pdfs/compressed_air_sourcebook.pdf (accessed 15 May 2019).

[12] Case Study on Heat Recovery. URL: http://cagi.org/news/assets/HeatRecoveryCaseStudy.pdf (accessed 15 May 2019).

[13] Heat Recovery from Industrial Compressed Air Systems. By CAGI Promotional Subcommittee. URL: http://www.cagi.org/news/HeatRecovery.pdf (accessed 15 May 2019).

[14] Pei P., Barse K., Gil A.J., Nasah J. Waste heat recovery in CO2 compression. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014, vol. 30, pp. 86–96, doi: 10.1016/j.ijggc.2014.09.001

[15] Kaltschmitt M., Streicher W., Wiese A. Renewable Energy: Technology, Economics and Environment. Springer Science & Business Media, Berlin, 2007. 596 р.

[16] Quoilin S., Broek M.V.D., Declaye S., Dewallef P., Lemort V. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, vol. 22, pp. 168–186, doi: 10.1016/j.rser.2013.01.028

[17] Capata R., Zangrillo E. Preliminary design of compact condenser in an organic Rankine cycle system for the low grade waste heat recovery. Energies, 2014, vol. 7, рр. 8008–8035, doi: 10.3390/en7128008

[18] Mamun M.A.A., Biswas S. Waste heat recovery system by using an organic Rankine cycle (ORC). International Journal of Scientific & Engineering Research, 2012, vol. 3(10), pp. 1–4.

[19] Saleh B., Koglbauer G., Wendland M., Fischer J. Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles. Energy, 2007, vol. 32(7), pp. 1210–1221, doi: 10.1016/j.energy.2006.07.001

[20] Mahmoudi A., Fazli M., Morad M.R. A recent review of waste heat recovery by Organic Rankine Cycle. Applied Thermal Engineering, 2018, vol. 143, pp. 660–675, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.07.136

[21] Smith I., Stosic N., Kovacevic A. Power Recovery from Low Grade Heat by Means of Screw Expanders. Woodhead Publishing, Ltd., 2014. 274 р.

[22] Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Москва, Энергоатомиздат, 1983. 416 с.

[23] Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. Москва, Колос, 2006. 456 с.

[24] Davies R., Bell A. Mathematical modeling of reciprocation air compressors. Mining technology, 1987, vol. 69(795), pp. 13–14.

[25] Corberan J.M., Gonzalvez J., Urchueguia J., Calas A. Modelling of Refrigeration Piston Compressors. International Compressor Engineering Conference, 2000, paper 1436. URL: http://docs.lib.purdue.edu/icec/1436

[26] Prakash R., Singh R. Mathematical Modeling and Simulation of Refrigerating Compressors. International Compressor Engineering Conference, 1974, paper 132. URL: http://docs.lib.purdue.edu/icec/132

[27] Yusha V.L., Busarov S.S., Vasil ‘ev V.K., Gromov A.Yu., Titov D.S., Scherban K.V. Verification Of The Operating Processes Calculation Technique For Slow Speed Oil-free Stages Of Reciprocating Medium-Pressure Compressors. International Conference on Oil and Gas Engineering, 2017, no. 020042, doi: 10.1063/1.4998862

[28] Бусаров С.С., Юша В.Л. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки, 2018, n. 24, № 4, с. 80–89, doi: 10.18721/JEST.24408

[29] Прилуцкий И.К., Молодова Ю.И., Галяев П.О., Сназин А.А., Молодое М.А., Иванова И.Л. Особенности процессов теплообмена в ступенях малорасходных машин объемного действия с различными механизмами движения. Вестник Международной академии холода, 2017, № 4, с. 30–40.

[30] Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V., Buhanets D.I., Scherban K.V. Verification of the operating processes calculation technique for slow-speed reciprocating stages at medium discharge pressure. AIP Conference Proceedings Oil and Gas Engineering, 2018, no. 030056, doi: 10.1063/1.5051917

[31] La Seta A., Meroni A., Andreasen J.G., Pierobon L., Persico G., Haglind F. Combined turbine and cycle optimization for organic rankine cycle power systems-part B: Application on a case study. Energies, 2016, vol. 9(6), no. 393, doi: 10.3390/en9060393

[32] Read M.G., Stosic N., Smith I.K. Optimization of Screw Expanders for Power Recovery from Low-Grade Heat Sources. Energy Technology & Policy, 2014, vol. 1(1), pp. 131–142, doi: 10.1080/23317000.2014.969454

[33] Nikolov A., Brümmer A. Investigating a Small Oil-Flooded Twin-Screw Expander for Waste-Heat Utilisation in Organic Rankine Cycle Systems. Energies, 2017, vol. 10(7), no. 869, doi: 10.3390/en10070869