Выбор рабочей жидкости - Working fluid selection

Тепловые двигатели, охлаждение циклы и тепловые насосы обычно включают жидкость, в которую и из которой высокая температура переносится во время термодинамического цикла. Эта жидкость называется рабочая жидкость.[1] В технологиях охлаждения и тепловых насосов рабочие жидкости часто называют хладагенты. В большинстве термодинамических циклов используется скрытая теплота (преимущества фазового перехода) рабочего тела. В случае других циклов рабочее тело остается в газовой фазе, претерпевая все процессы цикла. В тепловых двигателях рабочая жидкость обычно подвергается горение процесс, например, в двигатель внутреннего сгорания или же газовые турбины. Также существуют технологии в тепловых насосах и холодильном оборудовании, в которых рабочая жидкость не меняется. фаза, Такие как обратный Брайтон или же Стирлинг цикл.

В данной статье обобщены основные критерии выбора рабочих жидкостей для термодинамический цикл, Такие как тепловые двигатели включая низкопотенциальную рекуперацию тепла с использованием Органический цикл Ренкина (ORC) для геотермальная энергия, отходящее тепло, тепловая солнечная энергия или же биомасса и тепловые насосы и холодильные циклы. В статье рассматривается, как рабочие жидкости влияют на технологические приложения, в которых рабочая жидкость подвергается воздействию фаза перехода и не остается в исходном (в основном газообразный ) фазы во всех процессах 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 изменяет дизайн оборудования. Критерии выбора рабочих жидкостей обычно включают термодинамические и физические свойства помимо экономических факторов и факторов окружающей среды, но чаще всего все эти критерии используются вместе.

Критерии выбора рабочих жидкостей

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 низкие удельный объем (высоко плотность ), вязкость, токсичность, воспламеняемость, озоноразрушающая способность (ODP), потенциал глобального потепления (GWP) и стоимость, а также благоприятные технологические характеристики, такие как высокие термические и эксергетический 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, 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 разницу температур во время испарения в теплообменник, придуманный как температурное скольжение, что значительно снижает эксергетический 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 перечислены ниже соответственно:

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 механическим напряжением, и поэтому могут потребоваться излишне дорогие компоненты.
  2. Давление насыщения при минимальной температуре цикла (то есть 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 обеспечивает низкое падение давления рабочей жидкости при прохождении через теплообменники и вспомогательные трубопроводы и высокую скорость теплопередачи в теплообменниках.
  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. Кроме того, высокий удельный объем пара приводит к большим объемным потокам, требующим множества выпускных концов детандера в тепловых двигателях или компрессор в холодильных циклах и приводящие к значительным потерям давления. Удельный объем жидкости на конденсатор давление должно быть как можно меньше, чтобы минимизировать необходимое насос питательной воды работай.
  6. Не-коррозионная активность и совместимость с общими системными материалами - важные критерии 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. Помимо необходимости замены рабочей жидкости, химическое разложение жидкости может привести к образованию неконденсируемых газов, которые снижают скорость теплопередачи в теплообменниках, а также соединений, оказывающих коррозионное воздействие на материалы системы.
  8. Нетоксичность, негорючесть, не-взрывоопасность, не-радиоактивность и текущая промышленная приемлемость также являются желательными атрибутами.
  9. Жидкость должна соответствовать критериям требований защиты окружающей среды, таким как потенциал разрушения озонового слоя низкой степени (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
  10. Жидкость должна обладать хорошими смазывающими свойствами, чтобы уменьшить трение между поверхностями, находящимися 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)

  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 ds/ дТ линии насыщенного пара в Т–s Диаграмма (см. главу Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей) должна быть близка к нулю в прилагаемой степени давления 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

  1. Наклон ds/ дТ линии насыщенного пара в Т–s диаграмма (см. главу «Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей») должна быть близка к нулю, но никогда не должна быть положительной в прикладываемой степени давления 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

Традиционная классификация

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 Х. Табор и другие.[4] и O. Badr et al.[3] относящийся к 60-м годам. Эта трехклассовая система классификации разделяет чистые рабочие жидкости на три категории. Основой классификации является форма кривая насыщенного пара жидкости в плоскость температура-энтропия. Если наклон кривой насыщенного пара во всех состояниях отрицательный (ds/ дТ<0), что означает, что при уменьшении температура насыщения значение энтропия увеличивается, жидкость называется влажной. Если наклон кривой насыщенного пара жидкости в основном положительный (независимо от короткого отрицательного наклона несколько ниже критическая точка ), а это значит, что с понижением температуры насыщения уменьшается и значение энтропии (dТ/ дs> 0) жидкость сухая. Третья категория называется изэнтропический, что означает постоянную энтропию и относится к тем жидкостям, у которых есть вертикальная кривая насыщенного пара (независимо от короткого отрицательного наклона несколько ниже критической точки) на диаграмме температура-энтропия. Согласно математическому подходу, это означает (отрицательный) бесконечный наклон (ds/ дТ= 0). Термины влажный, сухой и изоэнтропический относятся к качество пара после изоэнтропического (обратимый адиабатический ) процесс расширения от насыщенный пар государственный. 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 перегретый (также называемая сухой) паровой зоной. Если рабочая жидкость изэнтропического типа, после процесса изэнтропического расширения жидкость остается в состоянии насыщенного пара. Качество пара - ключевой фактор при выборе паровая турбина или же расширитель для тепловых двигателей. См. Рисунок для лучшего понимания.

Новая классификация

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 (ds/ дТ= 0) на кривой насыщенного пара. На практике есть жидкости, которые очень близки к такому поведению или, по крайней мере, находятся в определенном температурном диапазоне, например трихлорфторметан (CCl3F). 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] устранить проблемы и недостатки традиционной трехклассной системы классификации. Новая классификация также основана на форме кривой насыщенного пара жидкости на диаграмме температура-энтропия, как и традиционная. В классификации используется метод, основанный на характеристических точках чтобы различать жидкости. 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 характерные точки A, C и Z:

Совместимость традиционной и новой классификации чистых рабочих жидкостей. Форма кривой насыщенного пара жидкости зависит от удельной изохорной (молярной) теплоемкости (cv) 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 температура плавления, что практически равно тройная точка жидкости. Выбор A и Z относится к первой и последней точке кривой насыщения визуально.
  • Первичная точка C относится к критическая точка, который уже четко определен термодинамическое свойство 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: ds/ дТ= 0. Мы можем легко понять, что, учитывая традиционную классификацию, жидкости влажного 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 (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. Не обнаружено рабочих жидкостей, которые можно было бы отнести к категориям ACZM или ACNZM. Теоретические исследования [6][7] подтвердил, что эти две категории могут даже не существовать. На основе базы данных NIST,[8] Доказанные 6 последовательностей новой классификации и их связь с традиционной можно увидеть на рисунке.

Многокомпонентные рабочие жидкости

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 для многокомпонентных технологий, таких как Калина цикл который использует воды и аммиак смесь, или абсорбционные холодильники которые также используют смесь воды и аммиака помимо воды, аммиака и водород, бромид лития или же хлорид лития смеси в большинстве. 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ченгель, Юнус А. и Болес, Майкл А. Термодинамика и инженерный подход, восьмое издание. McGraw-Hill Education, 2015 г.
  2. ^ Линке, Патрик; Пападопулос, Афанасиос I. и Сеферлис, Панос (2015) «Систематические методы выбора рабочих жидкостей и разработки, интеграции и контроля органических циклов Ренкина - обзор» Энергии 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. ^ а б 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. ^ а б c Гроневский, Аксель; Дьёрке, Габор; Имре Аттила Р. (2017) «Описание перехода из мокрого состояния в сухое в модельных рабочих жидкостях ORC». Прикладная теплотехника 125 (2017) 963-971.
  7. ^ а б 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. ^ Интернет-книга NIST по химии
  9. ^ Анджелино, Джанфранко и Колонна ди Палиано, Пьеро (1998) «Многокомпонентные рабочие жидкости для органических циклов Ренкина (ORC)» Энергия 23 (1998) 449-463.

внешняя ссылка