Основи забезпечення еколого-енергетичної ефективності суднових дизелів стабілізацією температури палива сумішами холодоагентів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – двигуни та енергетичні установки (142 – Енергетичне машинобудування). – Одеський національний морський університет, Одеса, 2023. Об’єктом дослідження є термодинамічні процеси у дизельних двигунах та у холодильних установках систем стабілізації температури палива. Предметом дослідження є особливості термодинамічної поведінки перспективних сумішей холодоагентів при їх використанні у системі стабілізації температури палива для поліпшення еколого-енергетичної ефективності робочого процесу суднових дизелів та їх систем. Дисертацію присвячено вирішенню проблеми поліпшення екологоенергетичної ефективності суднових дизелів за допомогою використання нових еколого-безпечних холодоагентів як робочих речовин системи стабілізації температури палива. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі виконаних досліджень здобувачем вперше: - запропоновано вирішення проблеми поліпшення еколого-енергетичної ефективності суднових дизелів при їх роботі на паливах із наднизьким вмістом сірки шляхом використання у системі стабілізації температури палива перспективних сумішей озонобезпечних та природних холодоагентів, потенціал глобального потепління яких на 30 – 40 % менший, ніж для більшості чистих та сумішеподібних фторвуглеводнів; - розроблено методику складання моделей стану сумішей на базі процедури покрокового регресійного аналізу, яка дозволяє виконувати надійну апроксимацію дослідних даних при помірних обсягах розрахунків. Запропонована методика, на відміну від більшості попередніх, дозволяє більш ефективно формувати структуру та кількість коефіцієнтів моделі стану; - розроблено метод розрахунку термодинамічних властивостей сумішей з використанням функції взаємодії компонентів, який на відміну від класичного методу комбінування коефіцієнтів моделей стану компонентів, дозволяє підвищити точність розрахунку термодинамічних властивостей речовин у надкритичній області при високих значеннях густини у 1,5 – 2 рази, що є достатнім для розрахунку теплообмінних процесів у суднових холодильних установках з метою підвищення їх екологічних показників в умовах експлуатації; - створено науково-методичні основи по розробці автоматизованих систем розрахунку теплофізичних властивостей нових перспективних холодоагентів та їхсумішей, для яких вперше отримані моделі стану, які дозволяють отримати необхідні значення властивостей холодоагентів для їх використання у системах стабілізації температури палива з метою дотримання міжнародних вимог з охорони довкілля; - виявлені закономірності термодинамічної поведінки сумішей озонобезпечних та природних холодоагентів у стані фазової рівноваги, які полягають у наявності для них азеотропних складів; при використанні азеотропних сумішей як холодоагентів вдається на 20 – 30 % зменшити втрати від зовнішньої необерненості процесів теплообміну у порівнянні з неазеотропними сумішами та значно збільшити енергетичну ефективність циклу холодильних установок суднових систем охолодження та кондиціювання; - створено математичну модель для здійснення еколого-термоекономічного аналізу холодильних установок систем стабілізації температури палива дизельних двигунів транспортних суден, який на відміну від існуючих методів термодинамічного та ексергетичного аналізу дозволяє оцінити повну еквівалентну емісію парникових газів за весь строк експлуатації обладнання. Отримало подальший розвиток та вдосконалено: - метод визначення коефіцієнтів моделей стану сумішей холодоагентів шляхом покрокового регресійного аналізу для розрахунку їх термодинамічних властивостей, який, на відміну від попередніх методів, дозволяє серед повного масиву коефіцієнтів послідовно відбирати найбільш значущі; попередні методи складання моделей стану базувалися на груповому виключенні малозначущих коефіцієнтів, що не є коректним через кореляційні зв’язки між коефіцієнтами; - метод визначення термодинамічних властивостей сумішей у стані фазової рівноваги насичених пари та рідини на базі використання умови рівності парціальних летючостей сумішей однакового складу при незмінних температурах замість менш точного правила Максвелла, за яким значення тиску насичених пари та рідини при постійній температурі визначалися через рівність площ під реальною та розрахованою ізотермами між значеннями питомого об’єму насичених пари та рідини у координатах тиск – питомий об’єм; - метод урахування ваги експериментальних даних про тиск та густину сумішей шляхом додавання до виразу для розрахунку дисперсії коефіцієнта стисливості у випадку сумішей доданку, який ураховує погрішність отримання експериментальних значень складу суміші; - методику розрахунку термодинамічних властивостей холодоагентів у автматизованій інформаційній системі шляхом введення у неї отриманих моделей стану нових сумішей холодоагентів та використання оновлених програмних алгоритмів, складених з урахуванням запропонованих та удосконалених у роботі методів дослідження термодинамічної поведінки сумішей холодоагентів. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що: 1. Розроблені у дисертації моделі стану і таблиці термодинамічних властивостей сумішей R32/R125 R125/R290 та R134a/R290 визнані Державним стандартом України стандартними довідковими даними, рекомендованими для використання при проектуванні та експлуатації холодильних установок систем охолодження та кондиціонування. Природні холодоагенти є рекомендованими для використання з точки зору вимог Монреальського та Кіотського протоколів, оскільки вони мають мізерно малі потенціали руйнування озонового шару та глобального потепління (3 для пропану). Отже, змішування альтернативних холодоагентів, більшість з яких суттєво впливають на глобальне потепління з природними речовинами і їх використання у суднових холодильних установках дозволить значно зменшити шкідливий вплив на довкілля. 2. Запропонований метод складання моделей стану на базі покрокового регресійного аналізу, який на відміну від більшості існуючих методів дозволяє у процесі виконання регресійної процедури з метою підвищення точності моделі ефективно регулювати структуру та кількість її коефіцієнтів. 3. Розроблено автоматизовану інформаційну систему, яка дозволяє розраховувати термодинамічні властивості сумішей холодоагентів при різних комбінаціях незалежних змінних, а також визначати параметри ефективності циклів холодильних установок. Автоматизована інформаційна система і таблиці термодинамічних властивостей трьох сумішей впроваджені у підприємства «Сістемар» і «Трансшип» при проведенні модернізації холодильних установок систем комфортного кондиціонування суден. Розроблена автоматизована система використовується у Одеському національному морському університеті у наукових дослідженнях та у навчальному процесі. У вступі дисертаційної роботи обґрунтовані актуальність теми дисертації, показаний її зв’язок з існуючими науковими програмами і темами. Сформульовано мету та задачі дослідження. Розглянуті наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про практичне значення результатів, особистий внесок здобувача, апробацію роботи, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі описані основні шляхи зменшення шкідливих викидів від суднових енергетичних установок та обумовлено вибір найбільш прийнятного з точки зору експлуатації суднових малообертових двигунів, а саме використання дизельних палив із наднизьким вмістом сірки. Також проаналізовані основні труднощі, які виникають при використанні вказаних палив, більшість з яких спричинені низьким значенням в’язкості при значеннях температури довкілля, що зазвичай мають місце у машинному відділенні. У якості одного з рекомендованих способів підвищення в’язкості палив із наднизьким вмістом сірки пропонується використання системи стабілізації температури палива на базі фреонової холодильної установки. Використання холодильної установки у системі стабілізації температури палива призводить до необхідності вирішення іншої проблеми, яка пов’язана із захистом довкілля при використанні різних холодоагентів. У рамках вирішення цієї проблеми виконано аналіз світових тенденцій переведення суднових холодильних установок на нові екологічно безпечні холодоагенти через заборону виробництва та використання озоноруйнівних холодоагентів та речовин з підвищеним парниковим ефектом. На даний момент продовжує існувати гостра потреба у нових холодоагентах, які б не поступалися забороненим за ефективністю та задовольняли міжнародним екологічним вимогам. У рамках пошуку нових речовин пропонується використовувати для системи стабілізації температури палива перспективних сумішей озонобезпечних та природних холодоагентів, які сполучають у собі позитивні властивості кожного з компонентів. Серед таких речовин найбільш дослідженими є суміші R32/R125, R125/R290 та R134a/R290. У другому розділі вибирається форма моделі стану для розрахунку термодинамічних властивостей сумішей. Існує багато моделей стану, які використовуються для розрахунку термодинамічних властивостей як чистих речовин, так і сумішей. Вони перетворюються в моделі стану ідеального газу, якщо значення густини та тиску речовини прагнуть до нуля. Найбільш простими моделями є кубічні рівняння стану, що представляють собою чисельні модифікації відомого рівняння стану Ван-Дер-Ваальса. Для підвищення точності розрахунків термодинамічних властивостей реальних газів були запропоновані рівняння стану з більшим, ніж у кубічних, числом коефіцієнтів. Точний розрахунок термодинамічних властивостей сумішей також забезпечують моделі, у яких крім моделей для компонентів суміші використовуються також функції міжмолекулярної взаємодії компонентів. Суміші, які досліджуються в даній роботі, складаються з компонентів, для яких наявні надійні моделі стану. Виходячи із цього та враховуючи наявність необхідної кількості експериментальних p,ρ,T,x-даних для цих сумішей, для складання їх моделей стану було вибрано досить відому форму Леммона. Вона добре апробована на практиці та досить просто реалізується для бінарних сумішей. У третьому розділі на базі наявних експериментальних даних складені єдині моделі стану для розрахунку термодинамічних властивостей сумішей R32/R125, R125/R290 та R134a/R290. Після складання виконано детальне порівняння з наявними експериментальними та додатково отриманими опорними даними, яке показало, що складені моделі стану цілком задовільно описують наявні дані та можуть бути використані для розрахунку термодинамічних властивостей, які необхідні для використання досліджуваних сумішей у якості робочих речовин холодильних установок транспортних суден. У четвертому розділі описано створену автоматизовану інформаційну систему для розрахунку теплофізичних властивостей речовин. Для аналізу ефективності роботи холодильних установок транспортних суден необхідні достовірні дані про теплофізичні властивості їх робочих речовин при різних комбінаціях незалежних змінних в широких інтервалах значень цих змінних. Важливими джерелами інформації про властивості речовин і матеріалів є банки даних і автоматизовані інформаційні системи. Банки даних в електронній формі містять архіви наявних даних, а в автоматизованих інформаційних системах теплофізичні властивості розраховуються за допомогою моделей стану. Автоматизована система, яка розроблена у роботі, розраховує властивості 21-ї речовини в газоподібному та рідкому станах, серед яких: одноатомні гази, повітря і його основні компоненти, діоксид вуглецю, аміак, п'ять вуглеводнів, шість альтернативних холодоагентів, а також одинадцять сумішей холодоагентів (включаючи досліджувані у роботі речовини). У п’ятому розділі виконано аналіз особливостей термодинамічної поведінки сумішей у стані фазової рівноваги та розраховані показники ефективності циклу холодильної установки на базі досліджуваних сумішей та їх компонентів. За отриманими рівняннями стану з використанням відомих диференційних співвідношень термодинаміки було складено таблиці термодинамічних властивостей сумішей у однофазній області, у стані насичення та для вологої пари. Також було зроблено детальне порівняння табличних значень термодинамічних властивостей із даними для тих самих значень температури та тиску, які отримані за допомогою відомої автоматизованої системи REFPROP. У шостому розділі виконанню дослідження робочого процесу двигуна при роботі на паливах із наднизьким вмістом сірки. Відомо, що при роботі на такому паливі при звичайній температурі у машинному відділенні, яка часто перевищує 40°C його в’язкість приймає значення нижче мінімально допустимої границі для малообертових дизелів. При цьому порушується стабільність роботи паливної апаратури та значно погіршується якість робочого процесу. Отже, необхідно контролювати температуру палива перед ПНВТ і досить ефективно використовувати для цього систему стабілізації температури палива на базі фреонової холодильної установки. З метою аналізу ефективності холодильної установки при використанні нових сумішей холодоагентів проведено еколого-термоекономічний аналіз досліджуваних сумішей при їх використанні у системі стабілізації температури палива дизельного двигуна транспортного судна. При комплексному аналізі ефективності холодильного обладнання необхідно ураховувати усі негативні фактори, які впливають на довкілля при експлуатації холодильного обладнання. Це можливо при здійсненні TEWI-аналізу (TEWI – повний еквівалент глобального потепління). Критерій TEWI ураховує як прямий внесок у збільшення сумарного радіаційного форсингу від емісії холодоагентів, так і непрямий внесок від викидів СО₂ при виробництві електроенергії, необхідної для експлуатації холодильного обладнання.Dissertation for the Doctoral Degree in Technical Sciences, Specialty 05.05.03 – Engines and power plants (142 – “Power engineering”). – Odesa national maritime university, Odesa, 2023. The object of research is thermodynamic processes in diesel engines and in refrigeration plants of fuel temperature stabilization systems. The subject of research are features of the thermodynamic behavior of promising refrigerants when used in the fuel temperature stabilization system to improve the environmental and energy efficiency of the marine diesel engines and their systems workflow. The dissertation is devoted to solving the problem of improving the environmental and energy efficiency of marine diesel engines by using new environmentally friendly refrigerants as working substances of the fuel temperature stabilization system. The scientific novelty of the results obtained is that, based on the research performed by the applicant for the first time: - a solution to the problem of improving the environmental and energy efficiency of marine diesel engines when operating on ultra-low sulfur fuels is proposed by using promising mixtures of ozone-friendly and natural refrigerants in the fuel temperature stabilization system, the global warming potential of which is 30-40 % lower than formost pure and mixture fluorocarbons; - a methodology for compiling state models of mixtures based on the procedure of stepwise regression analysis, which allows for reliable approximation of experimental data with moderate amounts of calculations, has been developed. The proposed method, unlike most previous ones, allows for a more efficient formation of the structure and number of coefficients of the state model; - a method of calculating the thermodynamic properties of mixtures using the function of interaction of components, which, unlike the classical method of combining the coefficients of models of the state of components, allows to increase the accuracy of calculating the thermodynamic properties of substances in the supercritical region at high density values by 1.5-2 times, which is sufficient for calculating heat exchange processes in ship refrigeration units in order to improve their environmental performance in operation; - scientific and methodological basis for the development of automated systems for calculating the thermophysical properties of new promising refrigerants and their mixtures was created, for which state models were first obtained that allow obtaining the necessary values of refrigerant properties for their use in fuel temperature stabilization systems in order to comply with international environmental requirements; - the regularities of thermodynamic behavior of mixtures of ozone-safe and natural refrigerants in a state of phase equilibrium, which consist in the presence of azeotropic compositions for them, were revealed; when using azeotropic mixtures as refrigerants, it is possible to reduce losses from external irreversibility of heat transfer processes by 20-30% compared to non-azeotropic mixtures and significantly increase the energy efficiency of the cycle of refrigeration units of ship refrigeration and air conditioning systems; - a mathematical model was created for the ecological and thermo-economic analysis of refrigeration units of fuel temperature stabilization systems for diesel engines of transport vessels, which, unlike existing methods of thermodynamic and exergy analysis, allows estimating the total equivalent greenhouse gas emissions over the entire service life of the equipment; It was further developed and improved: - a method for determining the coefficients of state models of refrigerant mixtures by stepwise regression analysis to calculate their thermodynamic properties, which, unlike previous methods, allows the most significant ones to be consistently selected from the full array of coefficients; previous methods of compiling state models were based on the group exclusion of insignificant coefficients, which is not correct due to correlations between the coefficients; - a method for determining the thermodynamic properties of mixtures in the state of phase equilibrium of saturated vapor and liquid based on the use of the condition of equality of partial volatilities of mixtures of the same composition at constant temperatures instead of the less accurate Maxwell's rule, according to which the pressure values of saturated vapor and liquid at constant temperature were determined through the equality of areas under the real and calculated isotherms between the values of the specific volume of saturated vapor and liquid in the coordinates pressure - specific volume; - a method for taking into account the weight of experimental data on the pressure and density of mixtures by adding to the expression for calculating the variance of the compressibility coefficient in the case of mixtures an additive that takes into account the error in obtaining experimental values of the composition of the mixture; - a methodology for calculating the thermodynamic properties of refrigerants in an automated information system by introducing the obtained models of the state of new refrigerant mixtures into it and using updated software algorithms compiled taking into account the methods proposed and improved in this work for studying the thermodynamic behavior of refrigerant mixtures. The practical significance of the results obtained is that: 1. The state models and tables of thermodynamic properties of R32/R125, R125/R290 and R134a/R290 mixtures developed in this thesis are recognized by the State Standard of Ukraine as standard reference data recommended for use in the design and operation of refrigeration units of refrigeration and air conditioning systems. Natural refrigerants are recommended for use in terms of the requirements of the Montreal and Kyoto protocols, as they have negligible ozone depletion and global warming potential (3 for propane). Therefore, mixing alternative refrigerants, most of which have a significant impact on global warming, with natural substances and using them in ship refrigeration systems will significantly reduce the harmful impact on the environment. 2. A method of compiling state models based on stepwise regression analysis is proposed, which, unlike most existing methods, allows, in the process of performing the regression procedure, to effectively regulate the structure and number of its coefficients in order to increase the accuracy of the model 3. An automated information system has been developed that allows to calculate the thermodynamic properties of refrigerant mixtures under different combinations of independent variables, as well as to determine the parameters of the efficiency of refrigeration cycles. The automated information system and tables of thermodynamic properties of the three mixtures were implemented at Sistemar and Transship when modernizing refrigeration units for ship comfort air conditioning systems. The developed automated system is used at the Odesa National Maritime University in research and education. The introduction of the dissertation substantiates the relevance of the dissertation topic, shows its connection with existing research programs and topics. The purpose and tasks of the research are formulated. The scientific novelty and practical significance of the obtained results are considered. Data on the practical significance of the results, personal contribution of the applicant, approbation of the work, publications, structure and scope of work are given. In Chapter 1 the main ways of reducing harmful emissions from ship power plants are described and the choice of the most acceptable from the point of view of operation of ship low-speed engines, namely the use of diesel fuels with ultra-low sulfur content, is determined. The main difficulties that arise when using the indicated fuels are also analyzed, most of which are caused by low viscosity values at ambient temperature values that usually occur in the engine room. As one of the recommended methods of increasing the viscosity of fuels with ultra-low sulfur content, the use of a fuel temperature stabilization system based on a Freon refrigeration unit is proposed. The use of a refrigeration unit in the fuel temperature stabilization system leads to the need to solve another problem related to environmental protection when using different refrigerants. As part of the solution to this problem, an analysis of global trends in the transfer of ship refrigeration units to new environmentally safe refrigerants due to the ban on the production and use of ozone-depleting refrigerants and substances with an increased greenhouse effect was performed. At the moment, there is still an urgent need for new refrigerants, which would not be inferior to prohibited ones in terms of efficiency and meet international environmental requirements. As part of the search for new substances, it is proposed to use promising mixtures of ozone-safe and natural refrigerants, which combine the positive properties of each of the components, for the fuel temperature stabilization system. Among such substances, the most studied mixtures are R32/R125, R125/R290 and R134a/R290. In Chapter 2 the form of the model of state is chosen to calculate the thermodynamic properties of mixtures. There are many models of state that are used to describe the thermodynamic properties of not only pure substances but also mixtures. They are converted into the equation of state of an ideal gas if the values of density and pressure of the substance tend to zero. The simplest are cubic models of state, which are the modifications of the known van der Waals equation. In order to increase the accuracy of calculations of the thermodynamic properties of real gases, models of state with a larger number of coefficients than in cubic ones were proposed. The exact calculation of the thermodynamic properties of mixtures is provided by methods in which, in addition to data on the components of the mixture, the functions of intermolecular interaction of the components are also used. The mixtures considered in this paper consist of components for which there are reliable equations of state. Based on this and taking into account the presence of a number of experimental p,ρ,T,x-data for these mixtures, it can be argued that a generalized Lemmon model is quite suitable for compiling their models of state. It is well tested in practice and is quite easy to implement for binary mixtures. In Chapter 3 on the basis of available experimental data, uniform models of state are compiled to calculate the thermodynamic properties of mixtures R32/R125, R125/R290 and R134a/R290. After compilation, a detailed comparison was made with the available experimental and additionally obtained reference data. The comparison showed that the compiled models of state quite satisfactorily describe the available data and can be used to calculate the thermodynamic properties for design and operation of ship refrigeration systems. In Chapter 4 the created automated information system describes. For the design and study of refrigeration plants and units of industry and transport, reliable data on the thermophysical properties of working substances on different combinations of independent variables and in wide ranges of values of these variables are required. Important sources of information about the properties of substances and materials are data banks and automated information systems. Data banks in electronic form contain archives of available data, and in automated information systems thermophysical properties are calculated using models of state and equations for transfer properties. The automated system developed in the work calculates the properties of the 21st substance in gaseous and liquid states: monoatomic gases, air and its main components, carbon dioxide, ammonia, five hydrocarbons and six alternative refrigerants, as well as 11 mixtures (including investigated in the work of substances). In Chapter 5 an analysis of the features of the thermodynamic behavior of the mixtures in the state of phase equilibrium was performed and the efficiency indicators of the refrigerating plant cycle were calculated on the basis of the studied mixtures and their components. Tables of thermodynamic properties of mixtures in the single-phase region, in the saturated state, and for wet steam were compiled based on the obtained equations of state using known differential relations of thermodynamics. A detailed comparison of tabulated values of thermodynamic properties with data for the same temperature and pressure values obtained using the well-nown automated system REFPROP was also made. In Chapter 6 carrying out a study of the working process of the engine when working on fuels with an ultra-low sulfur content. It is known that when working on such fuel at the usual temperature in the engine compartment, which often exceeds 40°C, its viscosity takes a value below the minimum permissible limit for low-speed diesel engines. At the same time, the stability of the fuel equipment is disturbed and the quality of the work process deteriorates significantly. Therefore, it is necessary to control the temperature of the fuel before the PNVT, and for this purpose it is quite effective to use a fuel temperature stabilization system based on a freon refrigeration unit. In order to analyze the efficiency of the refrigerating unit when using new mixtures of refrigerants, an ecological and thermo-economic analysis of the studied mixtures was carried out when they were used in the fuel temperature stabilization system of a diesel engine of a transport vessel. In a comprehensive analysis of the efficiency of refrigeration equipment, it is necessary to take into account all the negative factors thataffect the environment during the operation of refrigeration equipment. This is possible by performing a TEWI analysis (TEWI is the full equivalent of global warming). The TEWI criterion takes into account both the direct contribution to the increase in total radiative forcing from the emission of refrigerants, and the indirect contribution from CO₂ emissions during the production of electricity necessary for the operation of refrigeration equipment.