Выбор низкокипящего рабочего тела по положению угла наклона кривой линии насыщенного газа

В последнее время большое распространение получило применение тепловых двигателей на низкокипящих рабочих телах (НРТ). Главным достоинством НРТ является возможность его адаптации к различным источникам тепловой энергии. За счет варьирования рабочего тела его можно использовать в широком диапазоне температур и давлений. В частности, применение в тепловых двигателях по утилизации низко- и среднепотенциальной теплоты на уровне 80-160°С с выработкой электроэнергии, что в основном применимо для геотермальной энергетики.

Большинство применяемых тепловых двигателей на НРТ состоят из нескольких основных элементов - насос, теплообменник-испаритель, турбина, теплообменник-рекуператор (зависит от свойства НРТ) и теплообменник-конденсатор. Несмотря на различия в конструкциях, эти основные элементы образуют основу для эффективной работы и осуществления процессов теплового контура органического цикла Ренкина (ОЦР). В основных элементах происходят характерные изменения свойств низкокипящего рабочего тела, где эффективность цикла можно вычислить, зная температуру подведенной теплоты от источника и отведенной теплоты из цикла [1, 2].

Однако использование теплообменника-рекуператора в тепловом контуре ОЦР зависит от используемого низкокипящего рабочего тела и его термодинамических свойств. Для того чтобы определить характер рабочего тела «влажный», «сухой» или «изоэнтропный» необходимо определить на T-s диаграмме положение угла наклона кривой линии насыщенного газа. Для этого рассмотрим характер рабочего тела на примере углекислого газа СО2 и пропана C3H8.

На T-s диаграмме (рис. 1, 2) отмечают верхнюю границу рабочего давления – процесс испарения и нижнюю границу рабочего давления – процесс конденсации. Отмечают точки пересечения верхней (1) и нижней (2) границы с кривой линией насыщенного газа. По двум точкам строят прямую линию, которая является касательной к кривой линии насыщенного газа. С верхней точки 1 опускают перпендикуляр к нижней границе рабочего давления, и получается прямоугольный треугольник. Тангенс угла вершины прямоугольного треугольника определяется как отношение противолежащего катета ( ds ) к прилежащему катету ( dT ) [3].

Таким образом, тангенс угла наклона кривой линии насыщенного газа на T-s диаграмме ^ = dsjdT вычисляется как отношение приращения энтропии низкокипящего рабочего тела ( ds ) к приращению температуры низкокипящего рабочего тела ( dT ).

Рис. 1. T-s диаграмма для низкокипящего рабочего тела СО₂.

Энтропии. кДж(кг-К)

Рис. 2. T-s диаграмма для низкокипящего рабочего тела C 3 H 8 .

Далее анализируют полученные результаты:

• 1)    Если значение ^ = ds/dT на T-s диаграмме меньше нуля, то низкокипящее рабочее тело характеризуется как «влажное», что позволяет осуществлять процесс расширения газа в турбине до влажного состояния;

• 2)    Если значение ^ = ds/dT на T-s диаграмме больше нуля, то низкокипящее рабочее тело характеризуется как «сухое», что требует использования теплообменника-рекуператора за турбиной расширения для повышения эффективности термодинамического цикла;

• 3)    Если значение ^ = ds/dT на T-s диаграмме равно нулю, то низкокипящее рабочее тело характеризуется как «изоэнтропное», что в некоторых случаях требует использования теплообменника-рекуператора в зависимости от значения температурного напора.

На рис. 1 видно, что кривая линия насыщения углекислого газа СО2 имеет отрицательный тангенс угла наклона £ < 0 (полого убывает с ростом энтропии). Благодаря этому обстоятельству, возможно, осуществить процесс расширения углекислого газа в турбине до влажного состояния в области насыщенного газа, что наиболее характерно для традиционных паровых турбин [4].

Для большинства органических веществ и в частности для пропана C 3 H 8 (рис. 2) кривая линия насыщенного газа практически вертикальна ξ = 0. Благодаря этому обстоятельству, газ в процессе расширения в турбине остается в перегретом состоянии.

Таким образом, для любого НРТ можно определить характер рабочего тела по положению угла наклона кривой линии насыщенного газа на T-s диаграмме и необходимость использования теплообменника-рекуператора в тепловом контуре ОЦР.