ДОСЛІДЖЕННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ВИКОРИСТАННЯ СИСТЕМ  НАДКРИТИЧНОГО ДВООКИСУ ВУГЛЕЦЮ В ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНАХ  НАФТОГАЗОВОГО ТЕХНОЛОГІЧНОГО ТРАНСПОРТУ

Святослав Криштопа; Людмила Криштопа; Андрій Сем’янчук; Федір Козак; Іван Солярчук; Тарас Гріштор

doi:10.31471/1993-9868-2025-1(43)-150-160

Автор(и)

Святослав Криштопа Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
Людмила Криштопа Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
Андрій Сем’янчук Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
Федір Козак Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
Іван Солярчук Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна
Тарас Гріштор Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, вул. Карпатська, 15, м. Івано-Франківськ, 76019, Україна

DOI:

https://doi.org/10.31471/1993-9868-2025-1(43)-150-160

Ключові слова:

нафтогазовий технологічний транспорт; утилізація відпрацьованого тепла; дизельний двигун; надкритичний вуглекислий газ; sСО2; органічний цикл Ренкіна; ORC; термоелектричний генератор; економія палива; паливна економічність.

Анотація

У статті розглянуто проблему підвищення економічної ефективності силових приводів, що використовуються в нафтогазовій галузі. Запропоновано використання надкритичних циклів двоокису вуглецю (sСО₂), як перспективний напрямок модернізації енергетичного обладнання. Проаналізовано сучасні дослідження та публікації, присвячені цій тематиці. Виявлено низку невирішених питань, пов'язаних з практичною реалізацією технології sСО₂ в умовах нафтогазової промисловості. Тому в статті було досліджено потенціал надкритичного двоокису вуглецю (sCO₂), органічного циклу Ренкіна (ORC) і систем термоелектричного генератора (TEG) для застосування в системах рекуперації тепла відпрацьованих газів (WHR) нафтогазового технологічного транспорту. Результати моделювання свідчать, що системи sСО₂ здатні відновлювати найбільшу кількість енергії з викидних газів нафтогазового технологічного транспорту, за якими йдуть системи ORC. За проведеними розрахунками система sСО₂відновила 19,5 кВт у режимі максимальної ефективної потужності та 10,1 кВт у режимі максимального крутного моменту. За тих самих умов система ORC відновила 14,7 кВт у режимі максимальної ефективної потужності та 7,9 кВт у режимі максимального крутного моменту. Крім того, у режимі низької ефективної потужності та крутного моменту система sСО₂відновила 4,2 кВт ефективної потужності, а система ORC – 3,3 кВт. Система TEG виробляла значно меншу потужність (533 Вт при максимальній ефективній потужності гальмування, 126 Вт при максимальному крутному моменті та 7 Вт при низькій потужності та крутному моменті) на всіх трьох режимах через низьку ефективність системи, порівняно з системами sСО₂та ORC. З результатів можна зробити висновок, що системи sСО₂і ORC мають найбільший потенційний вплив на викидні системи WHR. Зроблено висновки щодо перспективності використання надкритичних циклів двоокису вуглецю для підвищення економічних показників силових приводів нафтогазової галузі.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1. Song, J.; Ren, X.-D.; Gu, C.-W. Investigation of EngineWaste Heat Recovery Using Supercritical CO2 (S-CO2) Cycle System. In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air; American Society of Mechanical Engineers: New York, NY, USA, 2018; Volume 51180, p. V009T38A014.

2. Gharehghani, A.; Mirsalim, S.M.; Jazayeri, S.A. Numerical and Experimental Investigation of Combustion and Knock in a Dual Fuel Gas/Diesel Compression Ignition Engine. J. Combust. 2012, 2012, 504590.

3. Gharehghani, A.; Kakoee, A.; Andwari, A.M.; Megaritis, T.; Pesyridis, A. Numerical Investigation of an RCCI Engine Fueled with Natural Gas/Dimethyl-Ether in Various Injection Strategies. Energies 2021, 14, 1638.

4. Mehranfar, S.; Gharehghani, A.; Azizi, A.; Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesyridis, A.; Jouhara, H. Comparative assessment of innovative methods to improve solar chimney power plant efficiency. Sustain. Energy Technol. Assess. 2022, 49, 101807.

5. Guo, J.-Q.; Li, M.J.; He, Y.L.; Jiang, T.; Ma, T.; Xu, J.L.; Cao, F. A systematic review of supercritical carbon dioxide(S-CO2) power cycle for energy industries: Technologies, key issues, and potential prospects. Energy Convers. Manag. 2022, 258, 115437.

6. White, M.T.; Bianchi, G.; Chai, L.; Tassou, S.A.; Sayma, A.I. Review of supercritical CO2 technologies and systems for power generation. Appl. Therm. Eng. 2021, 185, 116447.

7. Kim, S.C.; Won, J.P.; Kim, M.S. Effects of operating parameters on the performance of a CO2 air conditioning system for vehicles. Appl. Therm. Eng. 2009, 29, 2408–2416.

8. Marchionni, M.; Bianchi, G.; Tsamos, K.M.; Tassou, S.A. Techno-economic comparison of different cycle architectures for high temperature waste heat to power conversion systems using CO2 in supercritical phase. Energy Procedia 2017, 123, 305–312.

9. Mahmoudi, A.; Fazli, M.; Morad, M. A recent review of waste heat recovery by Organic Rankine Cycle. Appl. Therm. Eng. 2018, 143, 660–675.

10. Teng, H.; Regner, G.; Cowland, C. Achieving High Engine Efficiency for Heavy-Duty Diesel Engines by Waste Heat Recovery Using Supercritical Organic-Fluid Rankine Cycle; SAE Technical Paper, 0148-7191; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2006.

11. Cipollone, R.; Di Battista, D.; Perosino, A.; Bettoja, F. Waste Heat Recovery by an Organic Rankine Cycle for Heavy Duty Vehicles; SAE Technical Paper, 0148-7191; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2016.

12. Teng, H.; Klaver, J.; Park, T.; Hunter, G.L.; van der Velde, B. A Rankine Cycle System for Recovering Waste Heat from HD Diesel Engines—WHR System Development; SAE Technical Paper, 0148-7191; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2011.

13. Laouid, Y.A.A.; Kezrane, C.; Lasbet, Y.; Pesyridis, A. Towards improvement of waste heat recovery systems: A multi-objective optimization of different organic Rankine cycle configurations. SAE Int. J. Thermofluids 2022, 11, 100100.

14. Nawi, Z.M.; Kamarudin, S.; Abdullah, S.S.; Lam, S. The potential of exhaust waste heat recovery (WHR) from marine diesel engines via organic rankine cycle. Energy 2019, 166, 17–31.

15. Mondejar, M.; Andreasen, J.; Pierobon, L.; Larsen, U.; Thern, M.; Haglind, F. A review of the use of organic Rankine cycle power systems for maritime applications. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 91, 126–151.

16. Xu, B.; Rathod, D.; Yebi, A.; Filipi, Z.; Onori, S.; Hoffman, M. A comprehensive review of organic rankine cycle waste heat recovery systems in heavy-duty diesel engine applications. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019, 107, 145–170.

17. Kumar, S.; Heister, S.D.; Xu, X.; Salvador, J.R.; Meisner, G.P. Thermoelectric generators for automotive waste heat recovery systems part II: Parametric evaluation and topological studies. J. Electron. Mater. 2013, 42, 944–955.

18. Lan, S.; Li, Q.; Guo, X.;Wang, S.; Chen, R. Fuel saving potential analysis of bifunctional vehicular waste heat recovery system using thermoelectric generator and organic Rankine cycle. Energy 2023, 263, 125717.