Enhancing the Efficiency of Steam Turbine Cycles Through the Application of Physical Fields to the Working Fluid

А. Тарелін; І. Аннопольська; Є. Лук’янов; В. Михайленко; О. Хінєвіч

doi:10.15407/scine21.03.039

Автор(и)

А. Тарелін Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-7160-5726
І. Аннопольська Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-3755-5873
Є. Лук’янов Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-8839-091X
В. Михайленко Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-3082-6148
О. Хінєвіч Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-1902-534X

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine21.03.039

Ключові слова:

паротурбінна установка, теплообмінне та теплотехнічне обладнання, ефективність, фізико-хімічні та термодинамічні властивості води, силові поля різної фізичної природи

Анотація

Вступ. Дотепер вчені в усьому світі розглядають різні шляхи підвищення ефективності роботи енергогенеруючих установок ТЕС та ТЕЦ через використання нових циклів, наприклад, парогазових та газопарових, підвищення параметрів пари на вході до супернадкритичних, вибір оптимальних у термодинамічному сенсі нових робочих тіл — органічний цикл Ренкіна.
Проблематика. Актуальним є пошук нових рішень спрямованої зміни фізико-хімічних та термодинамічних властивостей робочого тіла паротурбінних енергоустановок, що суттєво підвищить їхню роботу без вагомих змін конструкцій окремих елементів теплової схеми та істотних капітальних затрат.
Мета. Розробка методу підвищення ефективності, надійності, екологічності та ресурсозбереження теплоенергетичного й теплотехнічного обладнання за рахунок зміни фізико-хімічних і теплофізичних властивостей робочого тіла під дією фізичних полів.
Матеріали й методи. У дослідженні використано воду та водяну пару, проведено аналіз літературних джерел. Експериментальні дослідження впливу силових полів на воду виконували на розробленому в ІПМаш НАН України термодинамічному стенді. Застосовано аналітичні методи, які базуються на класичних законах термодинаміки та теорії турбомашин.
Результати. Визначено, що за рахунок структурної перебудови кластерів води під дією силових полів можливо змінити її фізико-хімічні та теплофізичні властивості. Розроблено концепцію покращення показників технологічного циклу паротурбінної установки на всіх стадіях роботи. Встановлено, які саме фізичні поля можна застосовувати для цього на кожній зі стадій.
Висновки. Впровадження розробленої концепції дозволить інтенсифікувати роботу теплотехнічного обладнання, систем випарного охолодження та ін., підвищити ефективність паротурбінного циклу приблизно на 5—7 %, суттєво покращити систему водопідготовки, підвищити екологічність процесу, зменшивши використання реагентів до 90 %

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Kostikov, A. O., Shubenko, O. L., Tarasova, V. O., Yakovliev, V. A., Mazur, A. O. (2023). Ways of TPP Power Units Moder nization During Their Conversion to Ultra-Supercritical Steam Parameters. Journal of Mechanical Engineering, 26(4), 6—16. https://doi.org/10.15407/pmach2023.04.006

Lavrenchenko, H. K. (2021). Use of oxygen and natural gas to improve the efficiency of steam turbines. Refrigeration Engineering and Technology, 57(3), 189—195. https://doi.org/10.15673/ret.v57i3.2169 [in Ukrainian].

Dudnyk, O. M. (2019). New steam-gas and hybrid installations on fuel cells. Collection of scientific papers of the XV International Conference “Coal-fired thermal power: ways of reconstruction and development” (1—2 October, 2019, Kyiv). Kyiv, 40—43 [in Ukrainian].

Horskyi, V. V. (2022). Technological energy intensity of combined cycles of steam-gas plants. Power engineering: economy, technologies, ecology. POWER ENGINEERING: economics, technique, ecology, 4, 91—96. https://doi.org/10.20535/1813-5420.3.2022.272083 [in Ukrainian].

Voloshchuk, V. A., Ochkov, V. F., Orlov, K. A. (2010). Thermodynamic optimization of a simple binary cycle of a combined heat and power plant with a heat recovery boiler using modern information technologies. Bulletin of the National Technical University “KhPI”, 2, 102—106 [in Ukrainian].

Malyarenko, E. E., Majstrenko, N. Yu. (2015). Energy efficiency indicators and determination of energy saving potential in industrial technologies. Energy Technologies and Resource Saving, 3, 18—28 [in Russian].

Maliarenko, O., Horskyi, V., Stanytsina, V., Bogoslavska, O., Kuts, H. (2020). An improved approach to evaluation of the efficiency of energy saving measures based on the indicator of products total energy intensity. Systems, Decision and Control in Energy I (Eds. V. Babak, V. Isaienko, A. Zaporozhets). Kyiv. https://doi.org/10.1007/978-3-030-48583-2

Boichuk, A. S., Lavrenchenko, H. K., Slynko, O. H., Kozlovskyi, S. V. (2021). Gas-steam turbine installation with a common gas-steam generating device and independent turbines. Refrigeration Engineeringand Technology, 57(4), 254—263. https://doi.org/10.15673/ret.v57i4.2208 [in Ukrainian].

Lavrenchenko, H. K., Slynko, O. H., Halkin, V. M., Kozlovskyi, S. V., Boichuk, A. S. (2022). Thermodynamic cycle of a combined hydrogen-steam turbine plant. Refrigeration Engineeringand Technology, 58(3), 164—72 https://doi.org/10.15673/ret.v58i3.2488 [in Ukrainian].

Tillner-Rothand, R., Friend, D. G. (1998). A Helmholtz Free Energy Formulation of the Thermodynamic Properties of the Mixture {Water + Ammonia}. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 27(1), 63—77. https://doi.org/10.1063/1.556015

Kim, K., Kim, J., Kim, Ch., Lee, Y., Lee, W. (2019). Robust Design of Multicomponent Working Fluid for Organic Rankine Cycle. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(10), 4154—4167. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b04825

Elamin, M. (2020). Fundamentals of thermal power generation. International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology, 5(6), 2455—2143. https://doi.org/10.33564/ĲEAST.2020.v05i06.015

Ghauri, S. A., Ansari, M. S. (2006). Increase of water viscosity under the influence of magnetic field. Journal of Applied Physics, 100(6), 066101. https://doi.org/10.1063/1.2347702

Fujimura, Y., Iino, M. (2009). Magnetic field increases the surface tension of water. 3rd International Workshop on Materials Analysis and Processing in Magnetic Fields (MAP3) Journal of Physics: Conference Series, 156, 012028. https://doi.10.1088/1742-6596/156/1/012028

Wu, T., Brant, J. A. (2020). Magnetic Field Effects on pH and Electrical Conductivity: Implications for Water and Wastewater Treatment. Environmental Engineering Science, 37(11), 717—727. https://doi.org/10.1089/ees.2020.0182

Freitas, A. M. B., Landgraf, F. J. G., Seckler, M. M., Giulietti, M. (1999). The Influence of Magnetic Field on Crystallization from Solution. International Conference of Industrial Crystallization, England. URL: http://www.researchgate.net/ publication/237710732 (Last accessed: 20.06.2024).

Lee, H. S., Wei Yap, A. C., Cheng, Ng. C., Mohd, N. S., Loo, J. L. (2019). Increased electron density and dissolved oxygen level in water through magnetic effect. 9th International Conference on Future Environment and Energy. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 257, 012010. https://doi.org/10.1088/1755-1315/257/1/012010

Wang, Y., Wei, H., Li, Z. (2018). Effect of magnetic field on the physical properties of water. Results in Physics, 8, 262—267. URL: http://www.journals.elsevier.com/results-in-physics (Last accessed: 20.06.2024). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.12.022

Holysz, L., Szczes, A., Chibowski, E. (2007). Effects of a static magnetic field on water and electrolyte solutions. Journal of Colloid and Interface Science, 316(2), 996—1002. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2007.08.026

Malkin, E. S., Furtat, I. E., Kovalenko, N. O., Sepik, A. V. (2014). The influence of magnetic processing on the specific heat of vaporization of water. Ventilation, lighting and heat and gas supply, 17, 77—83 [in Ukrainian].

Malkin, E. S., Furtat, I. E., Kovalenko, N. O., Ardashnikova, A. Yu. (2014). Change in the specific heat capacity of water under the influence of a magnetic field. Ventilation, lighting and heat and gas supply, 17, 101—106 [in Ukrainian].

Heidary, H., Kermani, M. J., Dabir, B. (2017). Magnetic field effect on convective heat transfer in corrugated flow channel. Thermal Science, 21(5), 2105—2115. https://doi.org/10.2298/TSCI140610002H

Niu, X., Du, K., Xiao, L. (2011). Experimental study on the effect of magnetic field on the heat conductivity and visco sity of ammonia-water. Energy and Buildings, 43(5), 1164—1168. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.08.005

Tarelin, A. A. (2017). Energy and resource saving technologies in energy and power engineering (Ed. A. A. Tarelin). Kyiv [in Russian].

Legay, M., Gondrexon, N., Le Person, S., Boldo, P., Bontemps, A. (2011). Enhancement of Heat Transfer by Ultrasound: Review and Recent Advances. International Journal of Chemical Engineering, 2011(2), 1—17. https://doi.org/10.1155/2011/670108

Lee, D. R., Loh, B. G. (2007). Smart cooling technology utilizing acoustic streaming. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 30(4), 691—699. https://doi.org/10.1109/TCAPT.2007.901756

Dehbani, M., Rahimi, M., Abolhasani, M., Maghsoodi, A., Afshar, P. G., Dodmantipi, A. R., Alsairafi, A. A. (2104). CFD modeling of convection heat transfer using 1.7 MHz and 24 kHz ultrasonic waves: A comparative study. Heat and Mass Transfer, 50(9), 1319—1333. https://doi.org/10.1007/s00231-014-1346-9

Monnot, A., Boldo, P., Gondrexon, N., Bontemps, A. (2007). Enhancement of cooling rate by means of high frequency ultrasound. Heat Transfer Engineering, 28(1), 3—8. https://doi.org/10.1080/01457630600985485

Researchers find new methods to combat invasive zebra mussels. (2018). Minnesota Aquatic Invasive Species Research Center (MAISRC). Minnesota Daily, October 31. URL: http://maisrc.umn.edu/news/combat-mussels (Last accessed: 20.06.2024).

Mykhailenko, V. H., Antonov, O. V., Luk’ianova, O. I. (2017). Electromembrane softening of feed water of heat networks. Scientific and technical collection “Problems of water supply, drainage and hydraulics”, 28, 220—226 [in Ukrainian].

Tarelin, A. O. (2024). Heat-electrophysical processes in steam turbines. Kyiv. https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.512.140