Оценка влияния изменения режимных параметров органического цикла Ренкина при изменении внешних

Цитирование: Карабарин Д. И. Оценка влияния изменения режимных параметров органического цикла Ренкина, при изменении внешних / Д. И. Карабарин // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2024, 17(8). С. 1019–1027. EDN: WXHCKY

Обзор особенностей определения эффективности установок ОЦР

Как показано автором [1], потенциал утилизации бросного тепла уходящих газов в энергетике и промышленности составляет порядка 8 % от первичной энергии. Авторами [2, 3] показано, что технология ОЦР эффективно преобразует тепловую энергию в электрическую даже при температуре источника ниже 100 ̊ С.

В последние годы ученые провели многочисленные исследования по анализу производительности и оптимизации ОЦР [4–12]. Большинство исследований были посвящены оценке зависимости мощности установок ОЦР от температуры насыщения (докритические и сверхкритические), конструкции ОЦР (цикл с рекуператором и без); вида рабочего тела – сухое или влажное (наклон пограничной кривой линии сухости x=1); перегрева. Исследования показали, что эффективность ОЦР для сухих тел при отсутствии перегрева и регенерации мало отличается от эффективности при перегреве и наличии регенерации, при этом для влажных рабочих тел влияние перегрева намного значительнее, поэтому более предпочтительно использование сухих рабочих тел [10, 11].

На оценку эффективности поглощения первичной теплоты рабочим телом ОЦР влияют: тип рабочего тела, параметры источника теплоты, температура окружающей среды и темпе- – 1020 –

Рис. 1. Схемы расположения кривой насыщения а – полная утилизация; б – неполная утилизация

Fig. 1. Diagrams of the saturation curve location a – complete utilization; б – incomplete utilization

ратура насыщения. Кроме эффективности важно оценивать способность рабочего тела полностью преобразовать греющую теплоту.

Из рис. 1 видно, что тепловой потенциал источника теплоты не всегда полностью поглощается рабочим телом. Автором [13] был произведен параметрический термодинамический анализ и было найдено параметрическое соотношение полного поглощения.

Параметрическое соотношение можно оценить с помощью математического определителя ОПР, на значение которого влияют удельная теплота подогрева до температуры насыщения (Δ h ), скрытая теплота преобразования ( r ), температурный недогрев между средами ( θ ) и температурой греющей среды на входе и выходе

(Ah + г) ■ ((ts + 0) - Сивых) ОПР = Ah-  ---^—^-----^^

^Ивх ^Ивых

Рис. 2. Зависимость КПД ОЦР от рабочего тела и Ts

Fig. 2. Dependence of the efficiency of the CRO on the working fluid and Ts

Термический КПД установок ОЦР зависит только от рабочего тела и температуры насыщения. При этом видно, что чем ближе температура насыщения к критической, тем выше КПД. Большим термическим КПД обладают рабочие тела, в составе которых находится хлор, однако для полноценного анализа рабочего тала важно оценивать долю восстановленного тепла и удельную мощность, которые, в свою очередь, зависят от температуры греющей среды на входе и выходе.

Так, например, для источника теплоты в виде сетевой воды с температурами 150/70 °C наиболее эффективным является рабочее тело R 142b (рис. 3 и 4), для уходящих газов с параметрами 180/110 при температуре 130/70 °C – уже является рабочее тело R 1234ze(E) (рис. 5 и 6), а для более высоких 170/70 – рабочие тела R 600a и R 142b (рис. 7 и 8).

Рис. 3. Зависимость удельной мощности от типа рабочего тела и Ts

Fig. 3. Dependence of specific power on the type of working fluid and Ts

Рис. 4. Зависимость доли восстановления теплоты от типа рабочего тела и Ts при температуре источника 150/70 °C

Fig. 4. The dependence of the proportion of heat recovery on the type of working fluid and Ts at a source temperature of 150/70 °C

Рис. 5. Зависимость удельной мощности от типа рабочего тела и Ts при температуре источника 130/70 °C

Fig. 5. Dependence of specific power on the type of working fluid and Ts at a source temperature of 130/70 °C

Рис. 6. Зависимость доли восстановления теплоты от типа рабочего тела и Ts при температуре источника 130/70 °C

Fig. 6. The dependence of the proportion of heat recovery on the type of working fluid and Ts at a source temperature of 130/70 °C

Так как установка ОЦР проектируется и работает на одном рабочем теле, анализируя полученные зависимости, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным для всех температур является рабочее тело R 142b

Анализ режимных параметров установки ОЦР с рабочим телом R 142b

Несмотря на то что установка проектируется на фиксированное значение температуры греющей среды в процессе эксплуатации и отопительного сезона, она может меняться, что, в свою очередь, приводит к необходимости менять предельную температуру насыщения для – 1023 –

Рис. 7. Зависимость удельной мощности от типа рабочего тела и Ts при температуре источника 170/70 °C

Fig. 7. Dependence of specific power on the type of working fluid and Ts at a source temperature of 170/70 °C

Рис. 8. Зависимость доли восстановления теплоты от типа рабочего тела и Ts при температуре источника 170/70 °C

Fig. 8. The dependence of the proportion of heat recovery on the type of working fluid and Ts at a source temperature of 170/70 °C установки ОЦР, такая зависимость представлена на рис. 9, она имеет параболическую закономерность и может быть определена по уравнению:

Ts = 0,0064 * T^. - 1,0879 * Ta„ + 111,41.

Также в процессе эксплуатации будет меняться температура охлаждающей воды, что, в свою очередь, будет менять температуру конденсации и эффективность работы цикла. Такая зависимость представлена на рис. 10, а линейные коэффициенты в табл. 1

Рис. 9. Зависимость температуры насыщения от температуры источника теплоты

Fig. 9. Dependence of the saturation temperature on the temperature of the heat source

Рис. 10. Зависимость термического КПД от температуры конденсации для различных Ts

Fig. 10. Dependence of thermal efficiency on condensation temperature for different Ts

Таблица 1. Уравнения зависимости КПД от T _конд при Ts от 70 до 110 °С

Table 1. Equations for the dependence of efficiency on T конд at Ts from 70 to 110 °C

т s	Уравнение
70	–0,2356 * T конд + 17,341
80	–0,2201 * T конд + 18,733
90	–0,2067 * T конд + 19,96
100	–0,1954 * T конд + 21,033
110	–0,1855 * T конд + 21,937

Выводы

• •    Выбор рабочего тела для установок ОЦР представляет наибольший интерес, так как он должен учитывать эффективность работы установки, долю восстановления первичной теплоты и удельную вырабатываемую мощность.

• •    Эффективность работы ОЦР зависит от температуры насыщения и конденсации, которая, в свою очередь, зависит от температур греющей и охлаждающей сред.

• •    Зависимость оптимальной температуры насыщения от температуры греющей среды имеет параболический вид.

• •    Зависимость КПД цикла от температуры насыщения и конденсации имеет линейный вид, при этом при росте температуры насыщения угол наклона уменьшается