FAKULTET ZA POMORSTVO KOTORSTUDIJSKI PROGRAM: BRODOMAŠINSTVO

PREDMET:

MAŠINSKI ELEMENTI

SEMINARSKI RAD:

NASLOV:PRIMJENA EKSERGETSKE ANALIZE U PROJEKTOVANJU UTILIZACIONIH SISTEMA KOD BRODSKIH MAŠINSKIH POSTROJENJA

NASLOV ORIGINALNOG RADA:THE APPLICATION OF THE EXERGETIC ANALYSIS IN DESIGNING OF WASTE ENERGY RECOVERY SYSTEMS IN MARINE DIESEL POWER PLANTS

STUDENT:

Dašić Marko 39/12

KOTOR-Januar 2014

PRIMJENA EKSERGETSKE ANALIZE U PROJEKTOVANJU UTILIZACIONIH SISTEMA KOD BRODSKIH MAŠINSKIH

POSTROJENJA

Ryszard MichalskiThe Szczecin University of Technology

41 Piastów Ave, 71-065 Szczecin, Polandtel: (091) 4494941; fax: +48 91 449 44 88

e-mail : ryszard.michalski@ps.pl

Sažetak

Efikasna upotreba neiskorišćene energije je osnovni element u dizajniranju utilizacionih brodskih mašinskih posteojenja.Ekološki aspekti kod upotrebe ove energije su bitni takođe.Tako potreba da se izvrši procjena postaje značajna-u pogledu izvora neiskorišćene energije i brodskih sistema njenog iskorišćavanja,između ostalog u smislu dostizanja nivoa efikasnosti.Pored utvrđivanja količine raspoložive energije neophodno je uzeti u obzir vrijednost koja karakteriše ovu energiju u smislu kvaliteta.Mjera kvaliteta energije je vrijednost maksimalnog kapaciteta radnog učinka upućenog eksergiji.Eksergetska analiza omogućava da se odrede vrijednosti pojedinačnih mlazova radnog medija kao što je posebno važno omogućava pravilnu procjenu razmjere gubitaka u pojedinim elementima sistema za povratak pod istragom.Zato je osnov za izračunavanje njihove eksergetske efikasnosti.Članak predstavlja odnos vrijenosti toka energije glavnih porivnih motora kao i između ostalog na primjer promjena specifičnih energija i entalpije izduvnih gasova u zavisnosti od opterećenja glavnog porivnog motora.On takođe predstavlja primjere eksergetske analize povratka izduvnih gasova glavnog porivnog motora sa primjenom Brajtonovog ciklusa,Klacijus-Rankinovog ciklusa ili oba ciklusa kombinovano.

Klučne riječi:projektovanje,brodska postrojenja,neiskorišćena energija oporavak,eksergetska analiza

1

1. UVOD

Glavni izvor neiskorišćene energije u mašinskim postrojenjima su dizel klipni motori sa kompresionim paljenjem,glavni i pomoćni (dizel generatori) propulzioni sistemi.Izduvni gasovi,rashladna voda,ispirni zrak i ulje za podmazivanje su nosioci ove energije.Fizička neiskorišćena energija i hemijska neiskorišćena energija se razlikuju u odnosu na rad brodskih dizel motora.Fizička neiskorišćena energija javlja se u obliku temperature rezučtirajući iz temperature odstupanja neiskorišćene energije dovedene iz okoline i pritiska.Temperatura koja proizilazi iz povećenog pritiska u odnosu na vrijednost pritiska u okruženju.Hemijska neiskorišćena energija je posledica razlike u hemijskom sastavu supstance koji su izduvni gasovi u odnosu nastali iz komponenti u okruženju.U praksi se upotrebljava fizička neiskorišćena energija .Pravilna procjena izvora neiskorišćene energije je neophodna u projektovanju brodskih utilizacionih sistema.Ova procjena se odnosi ne samo na parametre neiskorišćene energije koje odgovaraju nominalnom opterećenju motora,takođe treba da se uzme u obzir njihova promjena usled promjene opterećenja motora tokom službe broda.

Količina energije nije dovoljna mjera njegove praktične upotrebljivosti.Pored količine energije neophodno je razmotriti vrijednost koja karakteriše energiju u pogledu njenog kvaliteta.Izbor mjera ove upotrebljivosti je relativnog karaktera.Pretpostavljeno je da se primjenjuju vrijednosti od maksimalnog kapaciteta za rad zvan eksergija.

Glavni zadatak eksergetske analize je da se otkrije vrsta i mjesto nastanka faktora koji povećavaju nesarvršenosti energetskih procesa i drugi glavni zadatak je procjena količine rezultata izazvane ovim faktorima.Eksergetski balans sadrži osnovu za proračun eksergetske efikasnosti.Trebalo bi da napomento tako da su razlike izmeđiu balansa i eksergije posebno velike u ispitivanju procesa koji se dešavaju u blizini ambijentalnih temperatura.Efikasno korišćenje neiskorišćene energije je osnovni element kod dizajniranja brodskih postrojenja.Tako potreba da se izvrši procjena postaje značajna-u pogledu brodskih sistema utilizacije neiskorišćene energije,između ostalog u smislu dostizanja novoa efikasnosti.Ekološki aspekti korišćenja ove energije su takođe značajni.Slično kao kopneno mašinstvo pretvarenje energetskih nosilaca u brodskom postrojenjupovezano je štetnim efektima na prorodno okruženje.Uglevnom se sastoji od emisije štetnih izduvnih gasova i termalnih kontaminacija.U takvim uslovima svaka akcija rezultira uštedu energije,uključujući i korišćenje neiskorišćene energije,dovodeći do smanjenja štetnih ekoloških posledica.

2

2. Pronalaženje izvora neiskorišćene energije u brodskim dizel postrojenjima

Neophodno je znati da je udjelom u % neiskorišćene energije i efektivne mehaničke energije u ukupnu energiju sagorelog goriva,izražen u smislu energetske ravnoteže u cilju obavljanja procijene količine neiskorišćene energije i efektivne mehaničke energije.U cilju procijene količine neiskorišćene energije bilansi termičke vrijednosti motora su određeni.Dopuna informacija o ovom energetskom obliku je poznavnje vrijednosti temperature i pritiska.Analizirajući strukturu bilansa može se preeliminarno zaključiti koji su faktori koji će se na prvom mjestu koristiti,a koji se mogu smatrati kao dodatni izvori manje primjenjuju u praksi.Dok se projektuju utilizacioni sistemi treba imati u vidu da je podobnost date neiskorišćene energije dokazana i pored termodinamičkih parametara,takođe i hemijskih parametara energetskog prenosa medija.

Tabela 1 prikazuje bilanse energije kod MAN i Wartsila glavnih propulzionih sporohodnih dizel motora koji odgovaraju maksimalnoj kontinuiranoj ocjeni vrijednosti MKO.Ovi bilansi postignuti su na osnovu kataloških podataka motora.Tabela pokazuje maksimalne i minimalne vrijednosti učešća u % neiskorišćene energije u neiskorišćene toplote tekući u različitim tokovima.

Tabela 2 prikazuje,u drugu ruku karakteristične temperaturne opsege neiskorišćene energije na MAN i Wartsila glavnim propulzionim sporohodnim dizel motora odgovarajući maksimalnom

kontinuiranim ocijenjivanjem vrijednosti:

3

Navedeni podaci omogućavaju da se zaključi da se efikasno iskorištena toplota sastoji 47,1÷50,9% od ukupne energije sadržane u sagorelom gorivu.Toplota prenijeta u izduvnim plinovima sadrži 21,5÷25,5%,u rashladnoj vodi ispirnog zraka 15,6÷19,5%,u rashladnoj vodi cilindara 6,5÷10,5% a toplota sadržana u ulju za podmazivanje 3,8÷6,3%.Treba napomenuti da relativno visoka vrijednost protoka toplote ne odgovara uvijek na visoku temperaturu nosioca toplote.Takav je svučaj u pogledu sadržane toplote kod rashladne vode ispirnog zraka.Lociranje izvora neiskorišćene energije otpada na osnovu toplotnog bilansa motora koji ne obezbijeđuje eksplicitnu i jasnu informaciju o njegovom kvalitetu,mada s obzirom vezu sa podacima o energiji nosioca temperature.Primjena eksergetske analize za procijenu kvaliteta neiskorišćene energije,međutim omogućava omogućava stavljanje izvora neiskorišćene energije u pravi redosled u skladu sa njihovim kvalitetom.Važna komponenta eksergije izduvnih gasova,pored svoje temperature je njegov dio pritiska.Informacije o ovom dijelu eksergije je značajan za projektovanje utilizacionih sistema sa dizel turbinama.Specifična eksergija izduvnih gasova,pokrivajući djelove pritiska i temperature,može biti određena jadnačinom:

bswl=c p (T s

wl−T 0 )−T 0 c p lnT s

wl

T 0

+R T0 lnps

wl

p0

Gdje su:

bswl -specifična eksergija izduvnih gasova,kJ/kg

c p -specifični toplotni kapacitet pri konstantnom pritisku,kJ/kgK

T swl -temperatura izduvnih plinova prije turbine,K

T 0 -temperatura okoline,K

R -konstanta izduvnih plinova,kJ/kgK

pswl -pritisak izduvnih plinova prije gasne turbine,Pa

p0 -pritisak okoline,Pa

4

Slika 1 prikazuje energiju izduvnih gasova motora i specifične vrijednosti entalpije sa preuzetom temperaturom okoline T0=298K,pritiskom okoline p0=100kPa i pritiskom izduvnih gasova p=200kPa.Na slici 1 specifična temperatura i eksergija pritiska je označena je kao’’bs,, a specifična eksergija temperature označena kao ‘’bsT,, ,kao i specifične entalpije kao ‘’isT,,.

slika 1

Slika gore pokazuje da iako je specifična entalpija izduvnih gasovarelativno visoka,njegova eksergija je niska.Poznavanje eksergije omogućava pravilnu procijenu kvaliteta neiskorišćene energije.Značajan problem u projektovanju utilizacionih sistema je procjena parametara izduvnih gasova odgovarajućeg motora sa djelimičnim opterećenjem.Raspoloživa količina neiskorišćene energije sadržane u izduvnim gasovima u takvim uslovima se smanjuje uprkos nekom povećanju njihove specifične eksergije.Tada ukupna tražena toplota na brodu u cjelini se smanjuje neznatno.

5

Slika 2 prikazuje promjene temperature temperature izduvnih gasova prije turbine (PRT),posle turbine (POT),i srednja temperatura izduvnih gasova posle cilindara (PC), u izvedbi 7S60MC-C opterećenje motora prema karakteristikama šarafa.

U druge strane slika 3 prikazuje promjene specifične eksergije i entalpije izduvnih gasova posle turbine u funkciji opterećenja motora za vrijeme ispitivanja.Fizička specifična eksergija temperature je označena kao ’’b(T),, , kao i specifična entalpije kao ’’iT,,

Vrijednosti prikazanih parametara su dobijene u skladu sa mjerama sprovedenim na testiranju temelja motora (temeljene ploče) u Cegielski Mechanical Works u Poznanu.

slika 2

slika 3

6

Stvarni tok eksergije prenošen hlađenjem cilindara vodom može se odrediti iz relacije:

Bw=be W d N e α w(1− T 0

T w) .

0,013600

Gdje su:

Bw -stvarni eksergetski tok,KW

be -specifična potrošnja goriva,kg/kWh

W d - niža klorična vrijednost goriva,kJ/kg

N e - efektivna snaga,kW

α w - procentualni udio toplote odveden vodom za hlađenje cilindara,%

T 0 -temperatura okoline,K

T w -temperatura vode za hlađenje motora,K

Stvarni eksergetski tok rashladne vode ispirnog zraka ili eksergetski tok ulja za podmazivanje mogu se odrediti na sličan način.Izduvni gasovi iz glavnog i pomoćnih motora imaju visok eksergetski nivo.Voda za rashladu cilindara i ispirnog zraka ima značajno niži eksergetski nivo,tako da je njena primjena zaista ograničena.Takođe,ulja za podmazivanje su karakterisana niskom eksergijom i mogu sadržavati samo dopunski izvor energije od neiskorišćene energije koja se upotrebljava u utilizacionim sistemima.U praksi pri projektovanju uglavnom se koristi energija sadržana u izduvnim gasovima glavnog motora i vodi za rashladu cilindara dok se sadržan u rashladnoj vodi ispirnog zraka korosti rijeđe,a u ulju za podmazivanje samo s vremena na vrijeme.

7

3. Eksergetska analiza brodskih sistema utilizacije neiskorišćene energije

U cilju sprovođenja analize aranžmana utilizacionih sistema neophodno je koristiti,između ostalog matematičke modele uzimajući u obzir termodinamičke promjene koje se pojavljuju u njihovim elementima.Oni omogućavaju analizu dešavanja u procesima utilizacionih sistema-oni najjednostavniji,koji rade na jednom pritisku proizvode zasićenu paru za potrebe grijanja i kotlovi koji rade na više pritisaka upotrebljavaju se za proizvodnju pregrijane pare za pogon turbo generatora i oni koji koriste neiskorišćenu energiju sadržanu u rashladnoj vodi cilindara,ispirnog zraka i ulja za podmazivanje.Metoda utvrđivanja eksergetske efikasnosti utilizacionih kotlova,eksergetska efikasnost sistema utilizacionih turbo generatora i eksergetska efikasnost sistema za proizvodnju električne energije i pare za potrebe grijanja .Kod motora sa kompresionim paljenjem parametri izduvnih gasova nepuštajićitubrinu su daleko od ambijentalnih parametara.Toplota sadržana u njima može se koristiti kod parnih turbina koje rade na principu Klausijus-Rankinovog coklusa.Napredak u povećanju efikasnosti prednabijanja turbinepruža mogućnost korišćenja dijela izduvnih gasova u odvojenoj gasnoj turbini,ili turbini pogonjenoj generatorom.Tako se pojavljuje problem pri pravljenju izbora tipa motora utilizacionog sistema.Ovo može uključivati između ostalog upotrebu Brajtonovog ciklusa sa utilizacionom turbinom i utilizacionom turbinom sa Klausijus-Rankinovim ciklusom.Autor ovog članka proširio je istraživanje uključivanjem složenih sistema gdje je Brajtonov ciklus kombinovan sa Klausijus-Rankinovim ciklusom.Sve obuhvatniji rezultati istraživanja dati su u stavci 6.Navedene cikluse između ostalog nalazimo kod MAN-a [10],i Wartsile [11].Eksergetska analiza je izvršena pri stavarnim ciklusima.To ne uključuje između ostalog unutrašnje vrijednosti turbine ili potrošnju potrebne energije za oba sistema.Sa duge strane uzima se u obzir potreba da se zadrži temperaturna razlika neiskorišćene energije veća od 0,koja je uslov da se ostvari prenos toplote.To je od posebnog značaja da bi se istovremeno zadržala razlika minimalne temperature između izduvnih gasova i mješavine para-voda-vidi tačku ( Tmin).Proračun unitarnog pada Brajtobovog turbo-gasnog ciklusa je sprovedena prema sledećem modelu.Specifična eksergija izduvnih gasova prije turbine turbine bs

wl određena je na osnovu jednačine(1).U daljem toku ovog članka simboli usvojeni za ovu jednačinu se takođe održavaju.Temperatura izduvnih gasova posle turbine T s

wyodređena je prema jednačini:

T swy=T s

wy( pswl

p0) K −1

K ,K,

Gdje je k=c p

c p−R -izotropska kriva eksponent u procesu ekspanzije izduvnih gasova u turbini.

Specifična eksergija izduvnih gasova čposle turbine bswl određena je iz relacije:

bswy=cp (T s

wy−T0 )−T 0 cp lnT s

wy

T 0

, kJ/kg.

Ukupni teoretski rad lt ciklusa jednak je:

lt=nb−bswy ,kJ/kg.

Eksergetska efikasnost ciklusa nbutvrđena je relacijom:

8

nb=lt

bswl

Proračuni Klausijus-Rankinovim parnim ciklusom izvršeni su upotrebom Util 1 softwera [4].Proračunima konstantnog pritiska pare u kondenzatoru pretpostavlja se da iznosi 0.007 MPa,takođe tu je uzeta vrijednost temperaturne razlike izduvnih gasova i pare u grijaču,iznoseći 15K i temperature izduvnih gasova posle ekonomajzera,iznoseće 443K.Proračunama je utvrđeno da je DTmin.=15K.U ovoj situaciji između ostalog pritisak nastale pare je promjenjen.Dobijeni rezultati su predstavljeni u tačkama 4 i 5,Gdje je Brajtonov ciklus označen sa B,Klausijus-Rankiov C-R.Slika 4 prikazuje ostvarive nadoknadive unitarne radne vrijednosti kod Brajtonovog i Klausijus-Rankinovih ciklusa kao unitarni rad ostvaren dodatnim Klausijus-Rankinovim ciklusom dobijenog zahvaljujući upotrebi toplote izduvnih gasova gasne turbine (na slici 4 je označena kao ’’dop. ob. CR,, i kombinovan rad Brajtonovog i Klausijus-Rankinovog ciklusa.Značajno je da jednom kada se prekorači temperatura,unitarni rad dodatnog Klausijus-Rankinovig ciklusa je viši od rada dobijenog osnovnim Brajtonovim ciklusom.Kao što je prikazano na slici 4 unitarni rad se povećava u slučaju oba ciklusa ,zajedno sa rastućom temperaturom izduvnih gasova.U isto vrijeme postoji oblast u kojoj je Brajtonov ciklus više koristan a drugi,Klausijus-Rankinov ima bilji aranžman.To takođe odgovara zaključcima prikazanim u stavci [9].

slika 4

Slika 5 prikazuje tok efikasnosti Brajtonovog i Klausijus-Rankinovig ciklusa u funkciji temperature izduvnih gasova pod pretpostavkom da je vrijednost pritiska izduvnih gasova konstantna (p=0,16 MPa).Vrijednost efikasnosti određene jednačinom (6) povećava se zajedno sa povećanjem temperatureu slučaju Klausijus-Rankinovog ciklusa i smanjenja kod Brajtonovog ciklusa.U drugom slučaju rezultira iz činjenice istovremenog povećanja temperature izduvnih gasova pri napuštanju turbine koja je karakteristična za proces ekspanzije unutar nje.Stepen iskorištenja izduvnih gasova kod Brajtonovog ciklusa povećava se zajedno sa porastom pritiska izduvnih gasova i smanjeivanja Klausijus-Rankinovig ciklusa.U svakom slučaju efikasnost oba ciklusa kombinovana je povećana.

slika 5

9

Zaključak

Osnovu procjene energetskih resursa neiskorišćene energije kod brodskih dizel postrojenja je njihova eksergetska osnova za procjenu mogućnosti i načina utilizacije energije i njene eksergetske analize.Pri projektovanju utilizacionih sistema broj nosioca parametara ove energije trebalo bi da bude od posebnog značaja.Sve vrste nabrajanja podataka o količini prenešene energije,temperature koju sadrži,specifične eksergije ili specifičnog kapaciteta toplote su takođe korisni.Primjena eksergetske analize u vezi sa energetskom analizom omogućava da se kvalifikuju i rasporede izvori neiskorišćene energije po pogledu njihovog kvaliteta.Postoji mogućnost visoke raznovrsnosti primjene brodskih utilizacionih sistema. Pojedinačno uređenje utilizacionih sistema treba da zavisi od odgovarajuće vrste energije i njene količine potrebne za rad brodskog mašinskog prostora,broda uopšte,prilikom preovlađavanja uslova okoline za vrijeme službe broda,planiranog opterećenja pri radu glavnog motora i tipa glavnog motora.Eksergetska analiza omogućava da se procijene kvaliteti procesa koji se odvijaju u utilizacionim sistemima.Takođe omogućava da se ukaže na najmanje efikasne postupke,optimizirajući projektovane sisteme.Istovremeno pažnju treba obtratiti na prirodu rada ovih sistema koji su operativni samo dok su njihovi izvori toplote aktivni. Finalna procijena varijanti utilizacije enrgije u brodskom motornom postrojenju je moguća pri uvažavanju termodinamičkih kriterijuma,kao i tehničkih,servisnih i ekonomskih kriterimja.

10

Literatura

[1] Szargut, J. i inni, Przemysłowa energia odpadowa. Zasady wykorzystania. Urządzenia,[Industrial Waste Energy. The Principles of Recovery. Equipment], WNT, Warszawa 1993.[2] Szargut, J., Analiza termodynamiczna i ekonomiczna w energetyce przemysłowej[Thermodynamic and Economic Analysis in Industrial Power Engineering], WNT, Warszawa1983.[3] Szargut, J., Ziębik, A., Podstawy energetyki cieplnej [The Basics of Heat PowerEngineering], Wydawnictwo Naukowe PWN S.A., Warszawa 1998.[4] Michalski, R., Przykład zastosowania analizy egzergetycznej do badania procesówutylizacji ciepła odpadowego w siłowniach motorowych [An Example of the Application of theExergetic Analysis for the Investigation of the Recovery Processes of the Waste Heat in MotorShips Power Plants], XX Sympozjum Siłowni Okrętowych, Wyd. Uczeln. AMW w Gdyni,Gdynia 1998.[5] Michalski, R., Ocena termodynamiczna okrętowych systemów utylizacji energii odpadowejspalin [Thermodynamic Evaluation of the Exhaust Gas Waste Energy Marine Recovery Systems],Zeszyty Naukowe WyŜszej Szkoły Morskiej w Szczecinie, Nr 66, ss. 287-299, Szczecin 2002.[6] Michalski, R., Porównawcza analiza termodynamiczna obiegu Braytona i Clausiusa-Rankine’a w okrętowych systemach utylizacji energii odpadowej spalin [A ComparativeThermodnamic Analysis of Brayton and Clausius-Rankine Cycles in the Exhaust Gas WasteEnergy Recovery Marine Systems], XXII Sympozjum Siłowni Okrętowych, Szczecin 2001.[7] ME Project Guide, MAN-B&W, 1998-2000.[8] Engine Selection and Project Manual, Wärtsilä, 1997-2008.[9] Woodward, J. B., Evaluation of Brayton and Rankine alternatives for Diesel waste heatexploitation, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power; Vol. 116, January 1994.[10] Thermo Efficiency System (TES) for Reduction of Fuel Consumption and CO2 Emission,MAN B&W Diesel, Reg. No. 39 66 13 14, P.9161-00, Jul. 05.[11] Schmid, H., Less Emissions Trough Waste Heat Recovery. Green Ship Technology

Conference, London, 28/29 April 2004, Wärtsilä Corporation, Apr

11