Выбор низкокипящего рабочего тела по теплофизическим показателям для использования в тепловом двигателе в области температур от 80°С до минус 55°С

engineer of the I category «Management of research work» «KSPEU» Gatina R.Z.

4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products» «KNRTU»

Russia, Kazan

THE CHOICE OF THE LOW-BOILING WORKING FLUID ON HEATPHYSICAL INDICATORS FOR USE IN THE HEAT ENGINE IN THE FIELD OF TEMPERATURES FROM 80°C TO MINUS 55°C The technique of the choice of the optimum low-boiling working fluid on heatphysical indicators for use in the heat engine in the field of temperatures from 80°C to minus 55°C on the example of C 3 H 8 and СО 2 is considered.

В настоящее время традиционным теплоносителем и рабочим телом для теплоэнергетических станций является вода. Одной из главных причин использования водяного пара является доступность воды. Также вода является идеальным хладагентом, которая характеризуется следующими теплофизическими характеристиками: высокой теплоемкостью равной примерно 4,2 кДж/кг ⋅ К, массовой плотностью равной примерно 1000 кг/м³ и высокой теплопроводностью равной примерно 0,57 Вт/м∙К, что для большинства других хладагентов является не достижимым показателем. Однако основным недостатком воды является температура замерзания при понижении температуры ниже 0°С, что ограничивает использование воды в низкотемпературных средах.

Поэтому использование водяного пара в качестве рабочего тела в тепловых двигателях ограничивается температурами от 0°С (теоретически возможно при глубоком вакууме) до 700°С (практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами используемых металлов).

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 [1].

Работа теплового двигателя на низкокипящих рабочих телах осуществляется по органическому циклу Ренкина (ОЦР). Основное отличие ОЦР от традиционного цикла Ренкина на водяном паре в том, что термодинамические процессы происходят при более низких температурах .

На сегодняшний день сбросная низкопотенциальная теплота промышленных предприятий с температурой ниже 80°С является не востребованной. Наиболее простым способом избавления от этой теплоты является выброс его в окружающую среду. Проводятся исследования и предлагаются решения по утилизации тепловых отходов промышленных предприятий, с возможностью выработки электроэнергии. Однако основной не решенной задачей является выбор оптимального НРТ для осуществления термодинамического цикла.

Предлагается методика выбора НРТ по теплофизическим показателям для осуществления ОЦР в температурном диапазоне от 80°С до минус 55°С:

• 1)    Значения плотности жидкой фазы НРТ должны быть в пределах от 700 кг/м³ до 1000 кг/м³, чтобы обеспечить меньшие затраты на его сжатие в насосе;

• 2)    Значения плотности газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 20 кг/м³ до 150 кг/м³, чтобы обеспечить максимальный поток массы при уменьшении габаритов установки;

• 3)    Значения кинематической вязкости жидкой и газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 0,01 см²/с до 0,001 см²/с, чтобы обеспечить малые потери на трение и большое значение коэффициента теплоотдачи;

• 4)    Значения теплопроводности жидкой фазы НРТ должны быть в пределах от 0,2 Вт/м∙К до 0,6 Вт/м∙К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах;

• 5)    Значения теплопроводности газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 0,02 Вт/м∙К до 0,05 Вт/м∙К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах;

• 6)    Значения удельной теплоты парообразования (фазового перехода) НРТ должны быть в пределах 200-500 кДж/кг, чтобы обеспечить меньшие затраты теплоты на процесс испарения.

Рассмотрим низкокипящие рабочие тела, которые в наибольшей степени могли бы соответствовать указанным теплофизическим показателям на примере сжиженного углекислого газа СО₂ и пропана C₃H₈ в сравнении с традиционным хладагентом Н 2 О при температуре в 5°С (табл. 1) [2].

Таблица 1

Сравнение теплофизических показателей рабочих тел

Из табл. 1 видно, что низкокипящие рабочие тела могут обладать уникальными свойствами по сравнению с традиционным хладагентом Н2О. В частности углекислый газ СО2 характеризуется высокой плотностью и теплопроводностью газообразной фазы, имеет низкую кинематическую вязкостью жидкой и газообразной фазы, характеризуется низкой удельной теплотой парообразования, что позволяет создавать на их основе малогабаритные и весьма эффективные тепловые двигатели [3].

Областью применения тепловых двигателей на сжиженном СО₂ или C 3 H 8 могут быть системы охлаждения конденсаторов паровых турбин, системы утилизации тепловых отходов промышленных предприятий и нефтехимических производств, а также использование в геотермальной энергетике. Расширение области применения тепловых двигателей на НРТ позволит в будущем сократить тепловые выбросы в окружающую среду и повысить эффективность использования топлива в энергетической отрасли.