Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Тепловые двигатели, холодильные циклы и тепловые насосы обычно включают жидкость, к которой и от которой передается тепло, при прохождении термодинамического цикла. Эта жидкость называется рабочей жидкостью . [1] В технологиях охлаждения и тепловых насосов рабочие жидкости часто называют хладагентами . Большинство термодинамических циклов используют скрытую теплоту (преимущества фазового перехода) рабочего тела. В случае других циклов рабочая жидкость остается в газовой фазе, претерпевая все процессы цикла. Когда дело доходит до тепловых двигателей, рабочая жидкость обычно также подвергается процессу сгорания , например, вдвигатели внутреннего сгорания или газовые турбины . Существуют также технологии в тепловых насосах и холодильном оборудовании, в которых рабочая жидкость не меняет фазы , например, обратный цикл Брайтона или Стирлинга .

В данной статье приведены основные критерии выбора рабочих жидкостей для более термодинамического цикла , такие как тепловые двигатели , включая рекуперации тепла низкого сорта , используя органический цикл Ренкина (ORC) для геотермальной энергии , отходящего тепла , тепловой солнечной энергии или биомассы и тепловых насосов и холодильных циклов . В статье рассматривается влияние рабочих жидкостей на технологические приложения, в которых рабочее тело претерпевает фазовый переход и не остается в исходной (в основном газообразной ) фазе в течение всех процессов термодинамического цикла.

Поиск оптимальной рабочей жидкости для данной цели - что важно для достижения более высокой энергоэффективности в системах преобразования энергии - имеет большое влияние на технологию, а именно, он не только влияет на рабочие параметры цикла, но также изменяет схему и модифицирует дизайн оборудования. Критерии выбора рабочих жидкостей обычно включают термодинамические и физические свойства помимо экономических и экологических факторов, но чаще всего все эти критерии используются вместе.

Критерии выбора рабочих жидкостей [ править ]

Известно, что выбор рабочих жидкостей оказывает значительное влияние на термодинамические, а также на экономические характеристики цикла. Подходящая жидкость должна обладать благоприятными физическими, химическими, экологическими, безопасными и экономическими свойствами, такими как низкий удельный объем (высокая плотность ), вязкость , токсичность , воспламеняемость , озоноразрушающий потенциал (ODP), потенциал глобального потепления (GWP), а также стоимость. как благоприятные технологические характеристики, такие как высокая термическая и эксергетическаяэффективность. 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, потому что их температурный профиль испарения изменчив, поэтому лучше следует профилю источника тепла, в отличие от плоского (постоянного) профиля испарения чистых жидкостей. Это обеспечивает приблизительно стабильную разность температур во время испарения в теплообменнике , именуемую температурным скольжением, что значительно снижает эксергетический эффект.убытки. Несмотря на их полезность, недавних публикаций, посвященных выбору смешанных жидкостей, значительно меньше. [2]
Многие авторы, например, такие как О. Бадр и др. [3] предложили следующие термодинамические и физические критерии, которым должна соответствовать рабочая жидкость для тепловых двигателей, таких как циклы Ренкина. Существуют некоторые различия в критериях, касающихся рабочих жидкостей, 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 [ править ]

  1. Давление насыщения при максимальной температуре цикла не должно быть чрезмерным. Очень высокое давление приводит к проблемам с механическим напряжением, и поэтому могут потребоваться излишне дорогие компоненты.
  2. Давление насыщения при минимальной температуре цикла (т.е. давление конденсации) не должно быть настолько низким, чтобы приводить к проблемам герметизации от проникновения атмосферного воздуха в систему.
  3. Тройная точка должна находиться ниже ожидаемой минимальной температуры окружающей среды. Это гарантирует, что жидкость не затвердеет ни в какой момент во время цикла или во время работы вне системы.
  4. Рабочая жидкость должна обладать низким значением вязкости жидкости, высокой скрытой теплотой испарения, высокой теплопроводностью жидкости и хорошей смачивающей способностью. Это гарантирует, что падение давления рабочей жидкости при прохождении через теплообменники и вспомогательные трубопроводы будет низким, а скорость теплопередачи в теплообменниках будет высокой.
  5. Рабочая жидкость должна иметь низкие 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 большим объемным потокам, требующим множества выхлопных концов детандера в тепловых двигателях или компрессорах в холодильных циклах, что приводит к значительным потерям давления. Удельный объем жидкости при давлении конденсатора должен быть как можно меньше, чтобы минимизировать требуемую работу насоса питательной воды .
  6. Некоррозионная способность и совместимость с общими системными материалами являются важными критериями выбора.
  7. Жидкость должна быть химически стабильной во всем используемом диапазоне температур и давлений. Стойкость рабочего тела к термическому разложению в присутствии смазочных материалов и материалов контейнера является очень важным критерием. В дополнение к необходимости замены рабочей жидкости, химическое разложение жидкости может привести к образованию неконденсируемых газов, которые снижают скорость теплопередачи в теплообменниках, а также соединений, которые оказывают коррозионное воздействие на материалы системы.
  8. Нетоксичность, негорючесть, невзрывоопасность , нерадиоактивность и промышленная приемлемость также являются желательными характеристиками.
  9. Жидкость должна соответствовать критериям требований по защите окружающей среды, таким как низкий потенциал разрушения озонового слоя (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
  10. Жидкость должна обладать хорошими смазывающими свойствами для уменьшения трения между поверхностями во взаимном контакте, что снижает тепло, выделяемое при движении поверхностей, и, в конечном итоге, увеличивает рабочие характеристики цикла.
  11. Вещество должно быть недорогим и доступным в больших количествах.
  12. Также полезен многолетний (эксплуатационный) опыт работы с рабочей жидкостью и возможная рециркуляция жидкости.

Специальные критерии для тепловых двигателей (например, цикл Ренкина) [ править ]

  1. Критическая температура жидкости должна быть намного выше самой высокой температуры, существующей в предлагаемом цикле. Испарение рабочей жидкости - и, следовательно, значительное добавление тепла - может происходить 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 относительном давлении расширителя. Это предотвращает образование значительного количества влаги (жидких капель) или чрезмерный перегрев во время расширения. Это также гарантирует, что весь отвод тепла в конденсаторе происходит при минимальной температуре цикла, что увеличивает тепловой КПД.
  3. Должно иметь место низкое значение удельной теплоемкости жидкости или, альтернативно, низкое отношение количества атомов на молекулу, деленное на молекулярную массу, и высокое отношение скрытой теплоты испарения к удельной теплоте жидкости. Это снижает количество тепла, необходимого для повышения температуры переохлажденной 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.

Особые критерии для холодильных циклов или тепловых насосов [ править ]

  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 относительном давлении компрессора. Это предотвращает образование значительного количества влаги (капель жидкости) или чрезмерный перегрев во время сжатия. Компрессоры очень чувствительны к каплям жидкости.
  2. Давление насыщения при температуре испарения не должно быть ниже атмосферного. 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 [ править ]

Традиционная классификация [ править ]

Традиционная классификация чистых рабочих жидкостей. 1 → 2 показаны изоэнтропические расширения из состояний насыщенного пара.

Традиционная и наиболее распространенная в настоящее время категоризация чистых рабочих жидкостей была впервые использована H. Tabor et al. [4] и О. Бадр и др. [3], относящиеся к 60-м годам. Эта трехклассовая система классификации разделяет чистые рабочие жидкости на три категории. В основе классификации лежит форма кривой насыщения паром жидкости в плоскости температура-энтропия . Если наклон кривой насыщенного пара во всех состояниях отрицательный (d s / d T <0), это означает, что с понижением температуры насыщения значение энтропииувеличивается, жидкость называется влажной. Если наклон кривой насыщенного пара жидкости в основном положительный (независимо от короткого отрицательного наклона несколько ниже критической точки ), это означает, что с понижением температуры насыщения значение энтропии также уменьшается (d T / d s > 0) , жидкость сухая. Третья категория называется изэнтропией , что означает постоянную энтропию и относится к тем жидкостям, которые имеют вертикальную кривую насыщенного пара (независимо от короткого отрицательного наклона несколько ниже критической точки) на диаграмме температура-энтропия. Согласно математическому подходу, это означает (отрицательный) бесконечный наклон (d s / d T = 0). Термины влажный, сухой и изоэнтропический относятся ккачество пара после изоэнтропического ( обратимого адиабатического ) расширения рабочего тела из состояния насыщенного пара . Во время процесса изэнтропического расширения рабочая жидкость всегда заканчивается в двухфазной (также называемой влажной) зоне, если это жидкость мокрого типа. Если жидкость сухого типа, изоэнтропическое расширение обязательно заканчивается в зоне перегретого (также называемого сухим) пара. Если рабочая жидкость изоэнтропического типа, после процесса изэнтропического 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.

Классификация романов [ править ]

Новая классификация чистых рабочих жидкостей. [5]

Традиционная классификация показывает несколько теоретических и практических недостатков. Одним из наиболее важных является тот факт, что идеальной изоэнтропической жидкости не существует. [6] [7] Изэнтропические жидкости имеют два экстремума (d s / d T = 0) на кривой насыщенного пара. На практике есть некоторые жидкости, которые очень близки к такому поведению или, по крайней мере, находятся в определенном температурном диапазоне, например трихлорфторметан (CCl 3 F). Другая проблема заключается в том, насколько сухая или изоэнтропическая жидкость ведет себя, что имеет важное практическое значение при разработке, например, схемы органического цикла Ренкина и выборе подходящего расширителя. Новый вид классификации был предложен G. Györke et al. [5]для решения проблем и недостатков традиционной трехклассной системы классификации. Новая классификация также основана на форме кривой насыщения пара жидкости на диаграмме температура-энтропия, как и традиционная. В классификации используется метод, основанный на характеристических точках, для различения жидкостей. Метод определяет три основных и две второстепенных характерных 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. [6] [7]
  • Первичные точки A и Z - это точки с самой низкой температурой на кривой насыщенной жидкости и насыщенного пара соответственно. Эта температура относится к точке плавления , которая практически равна тройной точке жидкости. Выбор A и Z относится к первой и последней точке кривой насыщения визуально.
  • 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, учитывая 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 нового изоэнтропического типа имеют как первичные, так и вторичные точки (M и N). См. Рисунок для лучшего понимания.

Порядок возрастания значений энтропии характеристических точек дает полезный инструмент для определения категорий. Математически возможное количество порядков - 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, включая наличие вторичных точек, уменьшающих количество возможных категорий до 8. Категории должны быть названы в соответствии с порядком возрастания энтропии их характеристики. точки. А именно возможных 8 категорий: 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. Рабочих жидкостей не обнаружено,которые можно отнести к категориям ACZM или ACNZM. Теоретические исследования[6] [7] подтвердили, что эти две категории могут даже не существовать. Основываясь на базе данных NIST , [8] доказанные 6 последовательностей новой классификации и их связь с традиционной можно увидеть на рисунке.

Многокомпонентные рабочие жидкости [ править ]

Хотя многокомпонентные рабочие жидкости имеют значительные термодинамические преимущества перед чистыми (однокомпонентными), исследования и применение по-прежнему сосредоточены на чистых рабочих жидкостях. Однако есть несколько типичных примеров многокомпонентных технологий, таких как цикл Kalina, в котором используется смесь воды и аммиака , или абсорбционные холодильники, которые также используют смесь воды и аммиака помимо воды, аммиака и водорода , бромида лития или хлорида лития.смеси в большинстве своем. Некоторые научные статьи также посвящены применению многокомпонентных рабочих жидкостей в органических циклах Ренкина. В основном это бинарные смеси углеводородов, фторуглеродов, гидрофторуглеродов, силоксанов и неорганических веществ. [9]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Çengel, Юнус А. и Болес, Майкл А. Термодинамика, инженерный подход, восьмое издание . McGraw-Hill Education, 2015 г.
  2. ^ Линке, Патрик; Пападопулос, Афанасиос И. и Сеферлис, Панос (2015) «Систематические методы выбора рабочей жидкости, а также разработка, интеграция и контроль органических циклов Ренкина - обзор» Энергия 2015, 8, 4755-4801; https://doi.org/10.3390/en8064755
  3. ^ а б Бадр, О ​​.; Проберт, С.Д. и О'Каллаган, П.В. (1985) «Выбор рабочего тела для двигателя цикла Ренкина» . Прикладная энергия 1985; 21: 1-42.
  4. ^ Табор, Гарри и Броницки, Люсьен (1964) "Установление критериев для жидкостей для малых паровых турбин" . Технический документ SAE 640823.
  5. ^ a b Дьёрке, Габор; Deiters, Ulrich K .; Гроневский, Аксель; Лассу, Имре и Имре, Аттила Р. (2018) «Новая классификация чистых рабочих жидкостей для органического цикла Ренкина» . Энергия 145 (2018) 288-300.
  6. ^ a b c Гроневский, Аксель; Дьёрке, Габор; Имре Аттила Р. (2017) «Описание перехода от мокрого к сухому в модельных рабочих жидкостях ORC» . Прикладная теплотехника 125 (2017) 963-971.
  7. ^ a b c Гроневский, Аксель и Имре, Аттила Р. (2018) «Прогнозирование границы насыщения энтропии температуры рабочей жидкости ORC с использованием уравнения состояния Редлиха-Квонга» . Энтропия 2018, 20 (2), 93. https://doi.org/10.3390/e20020093
  8. ^ Веб-книга по химии NIST
  9. ^ Анджелино, Джанфранко и Колонна ди Палиано, Пьеро (1998) «Многокомпонентные рабочие жидкости для органических циклов Ренкина (ORC)» Energy 23 (1998) 449-463.

Внешние ссылки [ править ]

  • Центр знаний об органическом цикле Ренкина
  • Национальные хладагенты, Inc.
  • Веб-книга NIST по химии
  • Новая классификация чистых рабочих жидкостей для органического цикла Ренкина
  • Карта мира ORC