МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ НАДКРИТИЧНОГО ДВООКИСУ ВУГЛЕЦЮ В ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНАХ НАФТОГАЗОВОЇ ГАЛУЗІ
DOI:
https://doi.org/10.31319/2519-8106.1(52)2025.325482Ключові слова:
моделювання силових приводів, нафтогазовий транспорт, дизельний двигун, утилізація відпрацьованого тепла, надкритичний вуглекислий газ, органічний цикл Ренкіна, термоелектричний генератор, паливна економічністьАнотація
У статті досліджується питання моделювання та підвищення паливної ефективності силових приводів, що застосовуються на великокубатурних дизельних двигунах в нафтогазовій галузі. Як перспективний напрям модернізації зазначених дизельних двигунів запропоновано використання надкритичних циклів двоокису вуглецю (sCO2). Проведено аналіз сучасних наукових досліджень і публікацій, присвячених тематиці моделювання силових приводів, а також виявлено ряд невирішених проблем, що стосуються практичного впровадження технології sCO2 у нафтогазовій промисловості. З цієї причини у статті розглянуто потенціал застосування надкритичного двоокису вуглецю (sCO2), органічного циклу Ренкіна (ORC) і термоелектричних генераторних систем (TEG) для рекуперації тепла відпрацьованих газів (WHR) технологічного транспорту нафтогазової галузі. Результати моделювання свідчать, що системи sCO2 мають найвищий рівень енергетичного відновлення з вихлопних газів, перевершуючи ORC. Зокрема, система sCO2 змогла відновити 19,5 кВт у режимі максимальної ефективної потужності та 10,1 кВт у режимі максимального крутного моменту, тоді як система ORC — 14,7 кВт і 7,9 кВт відповідно. У режимі низької ефективної потужності sCO2 забезпечила
4,2 кВт, тоді як ORC — 3,3 кВт. При цьому система TEG продемонструвала значно нижчі показники: 533 Вт при максимальній ефективній потужності гальмування, 126 Вт при максимальному крутному моменті та лише 7 Вт у режимі низьких потужності й моменту, що пояснюється її меншою ефективністю порівняно з sCO2 і ORC. На основі отриманих результатів зроблено висновок, що технології sCO2 та ORC мають найбільший потенціал для підвищення ефективності вихлопних систем WHR. Окремо відзначено перспективність застосування надкритичних циклів двоокису вуглецю для покращення економічних характеристик силових приводів у нафтогазовій промисловості.
Посилання
Song, J.; Ren, X.-D.; Gu, C.-W. (2018). 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,; Volume 51180, p. V009T38A014.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesyridis, A.; Esfahanian, V.; Salavati-Zadeh, A.; Hajialimohammadi, A. (2019). Modelling and evaluation of waste heat recovery systems in the case of a heavy-duty diesel engine. Energies, 12, 1397.
Eichler, K.; Jeihouni, Y.; Ritterskamp, C. (2015). Fuel economy benefits for commercial diesel engines with waste heat recovery. SAE Int. J. Commer. Veh., 8, 491–505.
Moradi, J.; Gharehghani, A.; Mirsalim, M. (2020). Numerical investigation on the effect of oxygen in combustion characteristics and to extend low load operating range of a natural-gas HCCI engine. Appl. Energy, 276, 115516.
Moradi, J.; Gharehghani, A.; Mirsalim, M. (2020). Numerical comparison of combustion characteristics and cost between hydrogen, oxygen and their combinations addition on natural gas fueled HCCI engine. Energy Convers. Manag., 222, 113254.
Gharehghani, A.; Mirsalim, S.M.; Jazayeri, S.A. (2012). Numerical and Experimental Investigation of Combustion and Knock in a Dual Fuel Gas/Diesel Compression Ignition Engine. J. Combust., 504590.
Gharehghani, A.; Kakoee, A.; Andwari, A.M.; Megaritis, T.; Pesyridis, A. (2021). Numerical Investigation of an RCCI Engine Fueled with Natural Gas/Dimethyl-Ether in Various Injection Strategies. Energies, 14, 1638.
Mehranfar, S.; Gharehghani, A.; Azizi, A.; Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesyridis, A.; Jouhara, H. (2022). Comparative assessment of innovative methods to improve solar chimney power plant efficiency. Sustain. Energy Technol. Assess., 49, 101807.
Guo, J.-Q.; Li, M.J.; He, Y.L.; Jiang, T.; Ma, T.; Xu, J.L.; Cao, F. (2022). A systematic review of supercritical carbon dioxide(S-CO2) power cycle for energy industries: Technologies, key issues, and potential prospects. Energy Convers. Manag., 258, 115437.
Siddiqui, M.E.; Almatrafi, E.; Bamasag, A.; Saeed, U. (2022). Adoption of CO2-based binary mixture to operate transcritical Rankine cycle in warm regions. Renew. Energy, 199, 1372–1380.
Siddiqui, M.E. (2021). Thermodynamic Performance Improvement of Recompression Brayton Cycle Utilizing CO2-C7H8 Binary Mixture. Mechanics, 27, 259–264.
Wieland, C.; Schifflechner, C.; Dawo, F.; Astolfi, M. (2023). The organic Rankine cycle power systems market: Recent developments and future perspectives. Appl. Therm. Eng., 224, 119980.
Manjunath, K.; Sharma, O.P.; Tyagi, S.K.; Kaushik, S.C. (2018). Thermodynamic analysis of a supercritical/transcritical CO2 based waste heat recovery cycle for shipboard power and cooling applications. Energy Convers. Manag., 155, 262–275.
Marchionni, M.; Bianchi, G.; Tsamos, K.M.; Tassou, S.A. (2017). Techno-economic comparison of different cycle architectures for high temperature waste heat to power conversion systems using CO2 in supercritical phase. Energy Procedia, 123, 305–312.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesiridis, A.; Esfahanian, V.; Salavati-Zadeh, A.; Karvountzis-Kontakiotis, A.; Muralidharan, V. (2017). A comparative study of the effect of turbocompounding and ORC waste heat recovery systems on the performance of a turbocharged heavy-duty diesel engine. Energies, 10, 1087.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesiridis, A.; Karvountzis-Kontakiotis, A.; Esfahanian, V. (2017). Hybrid electric vehicle performance with organic rankine cycle waste heat recovery system. Appl. Sci., 7, 437.
Arunachalam, P.N.; Shen, M.; Tuner, M.; Tunestal, P.; Thern, M. (2012). Waste Heat Recovery from Multiple Heat Sources in a HD Truck Diesel Engine Using a Rankine Cycle—A Theoretical Evaluation; SAE Technical Paper, SAE International: Warrendale, PA, USA, 0148-7191.
Varshil, P.; Deshmuk, D. (2021). A comprehensive review of waste heat recovery from a diesel engine using organic rankine cycle. Energy Rep., 7, 3951–3970.
Hoang, A.T. (2018). Waste heat recovery from diesel engines based on Organic Rankine Cycle. Appl. Energy, 231, 138–166.
Chintala, V.; Kumar, S.; Pandey, J.K. (2018). A technical review on waste heat recovery from compression ignition engines using organic Rankine cycle. Renew. Sustain. Energy Rev., 81, 493–509.
Kim, T.Y.; Negash, A.A.; Cho, G. (2016). Waste heat recovery of a diesel engine using a thermoelectric generator equipped with customized thermoelectric modules. Energy Convers. Manag., 124, 280–286.
Andwari, A.M.; Pesiridis, A.; Esfahanian, V.; Muhamad Said, M.F. (2019). Combustion and emission enhancement of a spark ignition two-stroke cycle engine utilizing internal and external exhaust gas recirculation approach at low-load operation. Energies, 12, 609.
Lan, S.; Yang, Z.; Stobart, R.; Chen, R. (2018). Prediction of the fuel economy potential for a skutterudite thermoelectric generator in light-duty vehicle applications. Appl. Energy, 231, 68–79.
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.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesyridis, A.; Esfahanian, V.; Salavati-Zadeh, A.; Hajialimohammadi, A. Modelling and evaluation of waste heat recovery systems in the case of a heavy-duty diesel engine. Energies 2019, 12, 1397.
Eichler, K.; Jeihouni, Y.; Ritterskamp, C. Fuel economy benefits for commercial diesel engines with waste heat recovery. SAE Int. J. Commer. Veh. 2015, 8, 491–505.
Moradi, J.; Gharehghani, A.; Mirsalim, M. Numerical investigation on the effect of oxygen in combustion characteristics and to extend low load operating range of a natural-gas HCCI engine. Appl. Energy 2020, 276, 115516.
Moradi, J.; Gharehghani, A.; Mirsalim, M. Numerical comparison of combustion characteristics and cost between hydrogen, oxygen and their combinations addition on natural gas fueled HCCI engine. Energy Convers. Manag. 2020, 222, 113254.
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.
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.
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.
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.
Siddiqui, M.E.; Almatrafi, E.; Bamasag, A.; Saeed, U. Adoption of CO2-based binary mixture to operate transcritical Rankine cycle in warm regions. Renew. Energy 2022, 199, 1372–1380.
Siddiqui, M.E. Thermodynamic Performance Improvement of Recompression Brayton Cycle Utilizing CO2-C7H8 Binary Mixture. Mechanics 2021, 27, 259–264.
Wieland, C.; Schifflechner, C.; Dawo, F.; Astolfi, M. The organic Rankine cycle power systems market: Recent developments and future perspectives. Appl. Therm. Eng. 2023, 224, 119980.
Manjunath, K.; Sharma, O.P.; Tyagi, S.K.; Kaushik, S.C. Thermodynamic analysis of a supercritical/transcritical CO2 based waste heat recovery cycle for shipboard power and cooling applications. Energy Convers. Manag. 2018, 155, 262–275.
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.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesiridis, A.; Esfahanian, V.; Salavati-Zadeh, A.; Karvountzis-Kontakiotis, A.; Muralidharan, V. A comparative study of the effect of turbocompounding and ORC waste heat recovery systems on the performance of a turbocharged heavy-duty diesel engine. Energies 2017, 10, 1087.
Mahmoudzadeh Andwari, A.; Pesiridis, A.; Karvountzis-Kontakiotis, A.; Esfahanian, V. Hybrid electric vehicle performance with organic rankine cycle waste heat recovery system. Appl. Sci. 2017, 7, 437.
Arunachalam, P.N.; Shen, M.; Tuner, M.; Tunestal, P.; Thern, M. Waste Heat Recovery from Multiple Heat Sources in a HD Truck Diesel Engine Using a Rankine Cycle—A Theoretical Evaluation; SAE Technical Paper, 0148-7191; SAE International: Warrendale, PA, USA, 2012.
Varshil, P.; Deshmuk, D. A comprehensive review of waste heat recovery from a diesel engine using organic rankine cycle. Energy Rep. 2021, 7, 3951–3970.
Hoang, A.T.Waste heat recovery from diesel engines based on Organic Rankine Cycle. Appl. Energy 2018, 231, 138–166.
Chintala, V.; Kumar, S.; Pandey, J.K. A technical review on waste heat recovery from compression ignition engines using organic Rankine cycle. Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 81, 493–509.
Kim, T.Y.; Negash, A.A.; Cho, G. Waste heat recovery of a diesel engine using a thermoelectric generator equipped with customized thermoelectric modules. Energy Convers. Manag. 2016, 124, 280–286.
Andwari, A.M.; Pesiridis, A.; Esfahanian, V.; Muhamad Said, M.F. Combustion and emission enhancement of a spark ignition two-stroke cycle engine utilizing internal and external exhaust gas recirculation approach at low-load operation. Energies 2019, 12, 609.
Lan, S.; Yang, Z.; Stobart, R.; Chen, R. Prediction of the fuel economy potential for a skutterudite thermoelectric generator in light-duty vehicle applications. Appl. Energy 2018, 231, 68–79.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
a. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
b. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
c. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
