Выбор рабочей жидкости

Тепловые двигатели, холодильные циклы и тепловые насосы обычно включают в себя жидкость, к которой и от которой тепло передается во время термодинамического цикла. Эту жидкость называют рабочей жидкостью . В технологиях охлаждения и тепловых насосов рабочие жидкости часто называют хладагентами . В большинстве термодинамических циклов используется скрытое тепло (преимущества фазового перехода) рабочей жидкости. В остальных циклах рабочее тело остается в газообразном состоянии, проходя все процессы цикла. В тепловых двигателях рабочее тело обычно также подвергается процессу сгорания , например, в двигателях внутреннего сгорания или газовых турбинах . Существуют также технологии в тепловых насосах и холодильном оборудовании, где рабочая жидкость не меняет фазу , например, обратный Брайтона или Стирлинга цикл .

В этой статье обобщены основные критерии выбора рабочих жидкостей для термодинамического цикла , таких как тепловые двигатели, включая низкопотенциальную рекуперацию тепла с использованием органического цикла Ренкина (ORC) для геотермальной энергии , отработанного тепла , тепловой солнечной энергии или биомассы , а также тепловые насосы и холодильные циклы . В статье рассмотрено влияние рабочих тел на технологические применения, где рабочее тело претерпевает фазовый переход и не остается в исходной (преимущественно газообразной ) фазе в течение всех процессов термодинамического цикла.

Поиск оптимального рабочего тела для заданной цели, что необходимо для достижения более высокой энергоэффективности в системах преобразования энергии, оказывает большое влияние на технологию, а именно не только влияет на рабочие параметры цикла, но также изменяет компоновку и модифицирует дизайн оборудования. Критериями выбора рабочих жидкостей, помимо экономических и экологических факторов, обычно являются термодинамические и физические свойства, но чаще всего все эти критерии используются вместе.

Критерии выбора рабочих жидкостей

Известно, что выбор рабочих тел оказывает существенное влияние как на термодинамические, так и на экономические показатели цикла. Подходящая жидкость должна обладать благоприятными физическими, химическими, экологическими, безопасными и экономическими свойствами, такими как низкий удельный объем (высокая плотность ), вязкость , токсичность , воспламеняемость , потенциал разрушения озона (ODP), потенциал глобального потепления (GWP) и стоимость. как благоприятные технологические характеристики, такие как высокая термическая и эксергетическая эффективность. Эти требования распространяются как на чистые (однокомпонентные), так и на смешанные (многокомпонентные) рабочие жидкости. Существующие исследования в основном сосредоточены на выборе чистых рабочих жидкостей, и в настоящее время доступно огромное количество опубликованных отчетов. Важным ограничением чистых рабочих жидкостей является их постоянный температурный профиль во время фазового перехода. Смеси рабочих жидкостей более привлекательны, чем чистые жидкости, поскольку их профиль температуры испарения является переменным и, следовательно, лучше повторяет профиль источника тепла, в отличие от плоского (постоянного) профиля испарения чистых жидкостей. Это обеспечивает примерно стабильную разницу температур во время испарения в теплообменник , получивший название «температурное скольжение», что значительно снижает эксергетические потери. Несмотря на их полезность, недавних публикаций, посвященных выбору смешанных жидкостей, значительно меньше.
Многие авторы, такие как, например, О. Бадр и др. предложили следующие термодинамические и физические критерии, которым должно соответствовать рабочее тело тепловых двигателей типа циклов Ренкина. Существуют некоторые различия в критериях, касающихся рабочих тел, используемых в тепловых двигателях и холодильных циклах или тепловых насосах, которые соответственно перечислены ниже:

Общие критерии как для тепловых двигателей, так и для холодильных циклов.

1. Давление насыщения при максимальной температуре цикла не должно быть чрезмерным. Очень высокое давление приводит к проблемам с механическими напряжениями, и поэтому могут потребоваться неоправданно дорогие компоненты.
2. Давление насыщения при минимальной температуре цикла (т.е. давление конденсации) не должно быть настолько низким, чтобы вызвать проблемы с герметизацией от проникновения атмосферного воздуха в систему.
3. Тройная точка должна находиться ниже ожидаемой минимальной температуры окружающей среды. Это гарантирует, что жидкость не затвердевает ни на каком этапе цикла, а также при обращении с ней вне системы.
4. Рабочая жидкость должна обладать низким значением вязкости жидкости, высокой скрытой теплотой парообразования, высокой теплопроводностью жидкости и хорошей смачивающей способностью. Это обеспечивает низкие падения давления рабочей жидкости при прохождении через теплообменники и вспомогательные трубопроводы и высокую скорость теплопередачи в теплообменниках.
5. Рабочее тело должно иметь малые удельные объемы пара и жидкости. Эти свойства влияют на скорость теплопередачи в теплообменниках. Удельный объем пара напрямую зависит от размера и стоимости компонентов цикла. Более того, высокий удельный объем пара приводит к увеличению объемных расходов, что требует наличия множества выпускных концов детандера у тепловых двигателей или компрессора в циклах охлаждения, что приводит к значительным потерям давления. Удельный объем жидкости при давлении в конденсаторе должен быть как можно меньшим, чтобы свести к минимуму требуемую работу насоса питательной воды .
6. и Важными критериями выбора являются некоррозийность совместимость с распространенными системными материалами.
7. Жидкость должна быть химически стабильной во всем используемом диапазоне температур и давлений. Важнейшим критерием является стойкость рабочей жидкости к термическому разложению в присутствии смазочных материалов и тарных материалов. Помимо необходимости замены рабочей жидкости, химическое разложение жидкости может привести к образованию неконденсирующихся газов, снижающих скорость теплопередачи в теплообменниках, а также соединений, оказывающих коррозионное воздействие на материалы системы.
8. нетоксичность, негорючесть, невзрывоопасность , нерадиоактивность и текущая промышленная приемлемость. Желательными атрибутами также являются
9. Жидкость должна соответствовать критериям требований защиты окружающей среды, таким как низкий потенциал разрушения озона (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
10. Жидкость должна обладать хорошими смазывающими свойствами для уменьшения трения между поверхностями, находящимися в взаимном контакте, что снижает выделение тепла при движении поверхностей и в конечном итоге увеличивает производительность цикла.
11. Вещество должно быть недорогим и доступным в больших количествах.
12. Также будет полезен многолетний (эксплуатационный) опыт работы с рабочей жидкостью и возможность ее повторного использования.

Специальные критерии для тепловых двигателей (например, цикл Ренкина)

1. Критическая температура жидкости должна быть значительно выше самой высокой температуры, существующей в предлагаемом цикле. Испарение рабочей жидкости — и, следовательно, значительное добавление тепла — может произойти при максимальной температуре цикла. Это приводит к относительно высокой эффективности цикла.
2. Наклон d s /d T линии насыщенного пара на диаграмме T – s (см. главу «Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей») должен быть близок к нулю при приложенном давлении детандера. Это предотвращает образование значительного количества влаги (капель жидкости) или чрезмерного перегрева, возникающего во время расширения. Это также гарантирует, что весь отвод тепла в конденсаторе происходит при минимальной температуре цикла, что повышает тепловой КПД.
3. Должны иметь место низкое значение удельной теплоемкости жидкости или, альтернативно, низкое отношение числа атомов на молекулу к молекулярной массе и высокое отношение скрытой теплоты испарения к удельной теплоемкости жидкости. При этом снижается количество тепла, необходимое для повышения температуры недогретой жидкости рабочего тела до температуры насыщения, соответствующей давлению в испарителе цикла Ренкина. Таким образом, большая часть тепла добавляется при максимальной температуре цикла, и цикл Ренкина может более близко приближаться к циклу Карно.

Специальные критерии для холодильных циклов или тепловых насосов

1. Наклон d s /d T линии насыщенного пара на диаграмме T – s (см. главу «Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей») должен быть близок к нулю, но никогда не должен быть положительным при степени приложенного давления компрессора. Это предотвращает образование значительного количества влаги (капель жидкости) или чрезмерного перегрева, возникающего во время сжатия. Компрессоры очень чувствительны к каплям жидкости.
2. Давление насыщения при температуре испарения не должно быть ниже атмосферного давления. В основном это относится к компрессорам открытого типа.
3. Давление насыщения при температуре конденсации не должно быть высоким.
4. Соотношение давлений конденсации и испарения должно быть низким.

Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей

Традиционная классификация

Традиционная классификация чистых рабочих жидкостей. 1→2 показано изоэнтропическое расширение состояний насыщенного пара.

Традиционная и в настоящее время наиболее распространенная классификация чистых рабочих жидкостей была впервые использована Х. Табором и др. и О. Бадр и др. начиная с 60-х годов. Эта трехклассовая система классификации делит чистые рабочие жидкости на три категории. В основу классификации положена форма кривой насыщения пара жидкости в плоскости температура-энтропия . Если наклон кривой насыщения пара во всех состояниях отрицательный (d s /d T <0), что означает, что с уменьшением температуры насыщения значение энтропии увеличивается, жидкость называют влажной. Если наклон кривой насыщения пара жидкости преимущественно положительный (несмотря на короткий отрицательный наклон несколько ниже критической точки ), то это означает, что с уменьшением температуры насыщения уменьшается и значение энтропии (d T /d s >0). , жидкость сухая. Третья категория называется изоэнтропической , что означает постоянную энтропию и относится к тем жидкостям, которые имеют вертикальную кривую насыщения пара (независимо от короткого отрицательного наклона несколько ниже критической точки) на диаграмме температура-энтропия. Согласно математическому подходу, это означает (отрицательный) бесконечный наклон (d с /д Т =0). Термины «влажный», «сухой» и «изоэнтропический» относятся к качеству пара после того, как рабочая жидкость подвергается изэнтропическому ( обратимому адиабатическому ) процессу расширения из состояния насыщенного пара . Во время процесса изоэнтропического расширения рабочая жидкость всегда заканчивается в двухфазной (также называемой влажной) зоне, если это жидкость влажного типа. Если жидкость сухого типа, то изоэнтропическое расширение обязательно заканчивается в зоне перегретого (также называемого сухим) пара. Если рабочее тело изэнтропического типа, то после процесса изоэнтропического расширения жидкость остается в состоянии насыщенного пара. Качество пара является ключевым фактором при выборе паровой турбины или детандера для тепловых двигателей. См. рисунок для лучшего понимания.

Новая классификация

Новая классификация чистых рабочих жидкостей.

Традиционная классификация демонстрирует ряд теоретических и практических недостатков. Одним из наиболее важных является тот факт, что не существует идеально изоэнтропической жидкости. Изэнтропические жидкости имеют два экстремума (d s /d T =0) на кривой насыщения пара. На практике существуют жидкости, которые очень близки к такому поведению или, по крайней мере, в определенном температурном диапазоне, например трихлорфторметан (CCl ₃ F). Другая проблема заключается в том, насколько сухой или изоэнтропной является жидкость, что имеет важное практическое значение, например, при разработке схемы органического цикла Ренкина и выборе подходящего расширителя. Новый вид классификации был предложен G. Györke et al. решить проблемы и недостатки традиционной трехклассовой системы классификации. Новая классификация также основана на форме кривой насыщения пара жидкости на диаграмме температура-энтропия, аналогичной традиционной. В классификации используется метод, основанный на характерных точках, для дифференциации жидкостей. Метод определяет три основные и две вторичные характеристические точки. Относительное расположение этих точек на кривой температурно-энтропийного насыщения определяет категории. Каждая чистая жидкость имеет основные характеристические точки A, C и Z:

Совместимость традиционной и новой классификации чистых рабочих жидкостей. Форма кривой насыщенного пара жидкости зависит от удельной изохорной (молярной) теплоемкости (c _v ) этого состояния через степени свободы (f) молекул.

• Первичные точки A и Z — это точки самых низких температур на кривой насыщенной жидкости и насыщенного пара соответственно. Эта температура относится к температуре плавления , которая практически равна тройной точке жидкости. Выбор A и Z визуально относится к первой и последней точке кривой насыщения.
• Первичная точка C относится к критической точке , которая является уже четко определенным термодинамическим свойством жидкостей.

Две вторичные характеристические точки, а именно M и N, определяются как локальные экстремумы энтропии на кривой насыщенного пара, точнее, в тех точках, где с уменьшением температуры насыщения энтропия остается постоянной: d s /d T =0. Мы можем легко понять, что, рассматривая традиционную классификацию, жидкости мокрого типа имеют только первичные (A, C и Z), жидкости сухого типа имеют первичные точки и ровно одну вторичную точку (M), а жидкости переопределенного изэнтропического типа имеют как первичные, так и вторичные точки. точки (M и N). См. рисунок для лучшего понимания.

Возрастающий порядок значений энтропии характерных точек дает полезный инструмент для определения категорий. Математически возможное количество порядков равно 3! (если нет второстепенных баллов), 4! (если существует только второстепенная точка M) и 5! (если существуют обе вторичные точки), что составляет 150. Существуют некоторые физические ограничения, в том числе наличие вторичных точек, которые уменьшают количество возможных категорий до 8. Категории должны быть названы в соответствии с возрастающим порядком энтропии их характеристики. точки. А именно, возможными 8 категориями являются ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM и ACNMZ. Категории (также называемые последовательностями) можно вписать в традиционную трехклассовую классификацию, что делает две системы классификации совместимыми. Не обнаружено рабочих жидкостей, которые можно было бы отнести к категориям ACZM или ACNZM. Теоретические исследования подтвердили, что эти две категории могут даже не существовать. По данным базы данных NIST , доказанные 6 последовательностей новой классификации и их соотношение с традиционной можно увидеть на рисунке.

Многокомпонентные рабочие жидкости

Хотя многокомпонентные рабочие жидкости имеют значительные термодинамические преимущества по сравнению с чистыми (однокомпонентными), исследования и применения продолжают концентрироваться на чистых рабочих жидкостях. Однако есть некоторые типичные примеры многокомпонентных технологий, таких как цикл Калины , в котором используется смесь воды и аммиака , или абсорбционные холодильники , в которых помимо воды, аммиака и водорода также используются смеси воды и аммиака , смеси бромида лития или хлорида лития , в большинстве случаев, . Некоторые научные работы посвящены применению многокомпонентных рабочих жидкостей и в органических циклах Ренкина. В основном это бинарные смеси углеводородов, фторуглеродов , гидрофторуглеродов , силоксанов и неорганических веществ.

См. также

• Тепловой насос и холодильный цикл
• Органический цикл Ренкина
• Хладагент
• Цикл Ренкина
• Термодинамический цикл
• Парокомпрессионное охлаждение

Внешние ссылки

• Центр знаний по органическому циклу Ренкина
• Национальные хладагенты, Inc.
• Интернет-книга NIST по химии
• Новая классификация чистых рабочих жидкостей для органического цикла Ренкина
• Карта мира ОРК