Температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела

Диоксид углерода CO 2 (R744) не имеет цвета, запаха и тяжелее воздуха. Потенциал глобального потепления CO 2 , равный 1 (ПГП=1), считается опорным значением для оценки непосредственного влияния хладагентов на глобальное потепление. Как и большинство хладонов, по стандарту ASHRAE «Классификация по группам безопасности» диоксид углерода имеет индекс А1, что означает низкую токсичность и негорючесть. Показатель озоноразрушающего потенциала для CO 2 равен нулю (ОРП=0). Хладагент CO 2 все шире используется в холодильных установках [1].

Применение СО 2 чрезвычайно перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать различные технологические задачи. Обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы.

Как видно из диаграммы P – T – ρ (давления – температуры – плотности) на рис. 1, плотность диоксида углерода изменяется в зависимости от давления и температуры по винтообразной плоскости, увеличивающейся от сверхкритического к докритическому полю вплоть до твердой фазы. При этом наибольшее значение плотность достигает в докритической области 1200-900 кг/м³ [2].

Рисунок 1 – Диаграмма равновесного фазового состояния СО2 в координатах P – T – ρ (давления – температуры – плотности).

Основные термодинамические и теплофизические свойства рабочего тела СО 2 в сравнении с водой Н 2 О представлены в табл. 1 [3].

Таблица 1

Кинематическая вязкость диоксида углерода (0,002178 см2/с) в тройной точке в восемь раз ниже вязкости воды (0,0179 см2/с). Жидкая углекислота обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, небольшие гидравлические потери при транспортировке по трубопроводам, исключительную компактность систем, возможность использовать медные трубопроводы.

Свойства рабочего тела очень сильно влияют на эффективность цикла. В особенности это характеризуется в виде кривой линии насыщения на T-s диаграмме (рис. 2). В зависимости от наклона линии насыщения газа на T-s диаграмме, вещества можно разделить на «сухие», «влажные» и «изоэнтропные». Если обозначить тангенс угла наклона § = ds/dT , то для «сухих» веществ ^ > 0, для «влажных» ^ < 0, а для «изоэнтропных» ^ = 0, где ds – приращение энтропии рабочего тела, dT – приращение температуры рабочего тела [4].

Рисунок 2 – T-s диаграмма для углекислого газа СО2, «влажного» рабочего тела.

Как видно из рис. 2, кривая линия насыщения углекислого газа СО 2 имеет отрицательный тангенс угла наклона ξ ˂ 0 (полого убывает с ростом энтропии). Это позволяет осуществлять процесс расширения в турбине углекислого газа до влажного состояния в области насыщенного газа, что характерно для традиционных паровых циклов.

Температурный диапазон использования сжиженного газа СО 2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО 2 в температурном диапазоне от 60°С до минус 56°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.