Критерии выбора низкокипящего рабочего тела для системы охлаждения паровых турбин

При значительных перепадах температур, что особенно характерно в зимний период времени, когда температура окружающей среды намного ниже температуры конденсации отработавшего в турбине пара, появляется возможность сработать такой теплоперепад с помощью низкокипящих рабочих тел (НРТ), работающих в тепловом двигателе по органическому циклу Ренкина [1].

Нужно учитывать, что выбор низкокипящего рабочего тела должно удовлетворять совокупности требований по термодинамическим и физикохимическим показателям, определяющих их пригодность для использования в тепловом контуре органического цикла Ренкина.

Критерии выбора НРТ для осуществления термодинамического цикла в температурном диапазоне от 353,15 К (80°С) до 223,15 К (минус 50°С) применительно к системе охлаждения конденсаторов паровых турбин включает в себя следующий алгоритм [2]:

• 1)    Критическая температура НРТ должна быть в пределах от 303 К до 323,15 К, чтобы обеспечить эффективный отбор теплоты при его нагреве до критических параметров (рис. 1); 2) Критическое давление НРТ должно быть в пределах от 3 МПа до 5 МПа, чтобы обеспечить приемлемые давления контура циркуляции и затраты на его сжатие; 3) Температура тройной точки НРТ должна быть ниже 223,15 К (-50°С), чтобы исключить замерзание во всем диапазоне рабочих температур в зимний период; 4) Давление тройной точки НРТ должно быть не менее 0,1 МПа, чтобы исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры.

Рассмотрим низкокипящие рабочие тела, которые могли бы в наибольшей степени соответствовать указанным термодинамическим показателям на примере сжиженного углекислого газа СО2 и пропана C3H8 (табл. 1) [3].

Таблица 1

Например, неорганическое вещество углекислый газ СО 2 (R744) соответствует параметру по критической температуре, но не соответствует параметру по критическому давлению. Углеводород типа пропан C 3 H 8 (R290) не соответствует параметру по критической температуре, но соответствует параметру по критическому давлению.

Таким образом сравним теплофизические свойства выбранных НРТ со свойствами воды Н2О, которая является идеальным хладагентом с температурой в 278,15 К (5°С): 1) Плотность жидкой фазы НРТ должна быть в пределах 700-1000 кг/м3, чтобы обеспечить меньшие затраты на его сжатие в насосе; 2) Плотность газообразной фазы НРТ должна быть в пределах 20-150 кг/м3, чтобы обеспечить максимальный поток массы при уменьшении габаритов установки; 3) Кинематическая вязкость жидкой и газообразной фазы НРТ должна быть в пределах 0,01-0,001 см2/с, чтобы обеспечить малые потери на трение и большое значение коэффициента теплоотдачи; 4) Теплопроводность жидкой фазы НРТ должна быть в пределах от 0,2-0,6 Вт/м∙К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах; 5) Теплопроводность газообразной фазы НРТ должна быть в пределах от 0,02-0,05 Вт/м∙К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах; 6) Удельная теплота парообразования (фазового перехода) НРТ должна быть в пределах от 500-200 кДж/кг, чтобы обеспечить меньшие затраты теплоты на процесс испарения; 7) Изобарная теплоемкость жидкой фазы НРТ при критических параметрах должна быть в пределах от 4-50 кДж/кг∙К, чтобы обеспечить эффективный отбор теплоты (рис. 1) [4].

Рис. 1. Показатели изобарной теплоемкости рабочего тела при критических параметрах: ─•─ СО 2 (Т к =304,13К, Р к =7,3773 МПа), ─■─ C 3 H 8 (Т к =369,9 К, Р к =4,25 МПа), ─▲─ Н 2 О (Т к =647,1 К, Р к =22 МПа).

Использование сжиженного СО 2 в качестве рабочего тела и охлаждающей жидкости в конденсаторе паровой турбины при температуре от 290,15 К до 304,13 К (от 17°С до 31°С) характеризуется повышенной изобарной теплоемкостью от 3 до 39 кДж/кг∙К, что является соизмеримым показателем для воды Н 2 О при критических параметрах.

Наиболее близкое к оптимальному НРТ является СО 2 , который характеризуется высокой плотностью и теплопроводностью газообразной фазы, имеет низкую кинематическую вязкостью жидкой и газообразной фазы, характеризуется низкой теплотой парообразования (табл. 2) [5].

Таблица 2