CC BY
6
Гафуров А.М. инженер
кафедра «Энергетическое машиностроение»
ФГБОУВО «КГЭУ» Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Россия, г. Казань
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИАПАЗОН ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО ГАЗА СО2 В КАЧЕСТВЕ НИЗКОКИПЯЩЕГО РАБОЧЕГО ТЕЛА
В статье рассматриваются основные термодинамические и теплофизические свойства сжиженного газа СО2. Определен температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина.
Ключевые слова: сжиженный углекислый газ, термодинамические и теплофизические свойства, органический цикл Ренкина.
TEMPERATURE RANGE OF USE OF СО2 LIQUEFIED GAS AS THE LOW-BOILING WORKING FLUID
Gafurov A.M., Gatina R.Z., Gafurov N.M.
In article the basic thermodynamic and thermal properties of СО2 liquefied gas are considered. Temperature range of use of СО2 liquefied gas as the low-boiling working fluid in a thermal contour of an organic Rankine cycle is determined.
Keywords: liquefied carbon dioxide gas, thermodynamic and thermal properties, organic Rankine cycle.
Диоксид углерода CO2 (R744) не имеет цвета, запаха и тяжелее воздуха. Потенциал глобального потепления CO2, равный 1 (ПГП=1), считается опорным значением для оценки непосредственного влияния хладагентов на глобальное потепление. Как и большинство хладонов, по стандарту ASHRAE «Классификация по группам безопасности» диоксид углерода имеет индекс А1, что означает низкую токсичность и негорючесть. Показатель озоноразрушающего потенциала для CO2 равен нулю (ОРП=0). Хладагент CO2 все шире используется в холодильных установках [1].
Применение СО2 чрезвычайно перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое вещество) позволяет решать
различные технологические задачи. Обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы.
Как видно из диаграммы Р - Т - р (давления - температуры - плотности) на рис. 1, плотность диоксида углерода изменяется в зависимости от давления и температуры по винтообразной плоскости, увеличивающейся от сверхкритического к докритическому полю вплоть до твердой фазы. При этом наибольшее значение плотность достигает в докритической области 1200-900 кг/мЗ [2].
220. 230 240. 250. 260, 270, 280 290 300 310 320 330. 340 350,
Температура. К
Рисунок 1 - Диаграмма равновесного фазового состояния СО2 в координатах Р - Т - р (давления - температуры - плотности).
Основные термодинамические и теплофизические свойства рабочего тела СО2 в сравнении с водой Н2О представлены в табл. 1 [3].
Таблица 1
Показатель параметра, размерность СО2 Н2О
Температура тройной точки, К 216,59 273,16
Давление тройной точки, МПа 0,518 0,00061
Плотность жидкой фазы тройной точки, кг/м3 1178,5 999,79
Плотность газообразной фазы тройной точки, кг/м3 13,762 0,00485
Кинематическая вязкость жидкой фазы тройной точки, см2/с 0,002178 0,0179
Кинематическая вязкость газообразной фазы тройной точки, см2/с 0,0079 18,428
Теплопроводность жидкой фазы тройной точки, Вт/м-К 0,180 0,561
Теплопроводность газообразной фазы тройной точки, Вт/м-К 0,011 0,017
Изобарная теплоемкость жидкой фазы тройной точки, кДж/кг-К 1,953 4,22
Изобарная теплоемкость газообразной фазы тройной точки, кДж/кг-К 0,908 1,884
Удельная теплота парообразования тройной точки, кДж/кг 350,38 2500,9
Критическая температура, К 304,13 647,1
Кинематическая вязкость диоксида углерода (0,002178 см2/с) в тройной точке в восемь раз ниже вязкости воды (0,0179 см2/с). Жидкая углекислота обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, небольшие гидравлические потери при транспортировке по трубопроводам, исключительную компактность систем, возможность использовать медные трубопроводы.
Свойства рабочего тела очень сильно влияют на эффективность цикла. В особенности это характеризуется в виде кривой линии насыщения на Т-я диаграмме (рис. 2). В зависимости от наклона линии насыщения газа на Т-я диаграмме, вещества можно разделить на «сухие», «влажные» и
«изоэнтропные». Если обозначить тангенс угла наклона £ = , то для «сухих» веществ £ > 0, для «влажных» £ < 0, а для «изоэнтропных» £= 0, где йя - приращение энтропии рабочего тела, dT - приращение температуры рабочего тела [4].
320,
310
и 300. ±
С'
I
£ 290
280.
270
<15 „ сПГ 7/ -
Жидкость \ \ \ \ N \ \ \ ч \ ч 5.5 МПа 4.5 МПа
Пергох.ижлсииаа / Гы \ч
ЖН.1КОС1 ь / \/ ,
I"! \/ Нгрс|ре1ЫЙ ■ а I
у/\ Насыщенная Насыщенный /Д
/// ЖЯЛЮСТЬ "/ ! 1 газ \ 1 ( 1 1 1 1 1 V |
1.75
2.00
1,00 1.25 1.50
Энтропия. кДж < К1 КI
Рисунок 2 - Т-я диаграмма для углекислого газа СО2, «влажного»
рабочего тела.
Как видно из рис. 2, кривая линия насыщения углекислого газа СО2 имеет отрицательный тангенс угла наклона £ < 0 (полого убывает с ростом энтропии). Это позволяет осуществлять процесс расширения в турбине углекислого газа до влажного состояния в области насыщенного газа, что характерно для традиционных паровых циклов.
Температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина ограничивается показателями критической температуры в 31 °С и температурой в тройной точке минус 56°С. Поэтому использование
сжиженного газа СО2 в температурном диапазоне от 60°С до минус 56°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Выбор оптимального низкокипящего рабочего тела для системы охлаждения конденсаторов паровых турбин по физиологическим и экологическим показателям. // Инновационная наука. - 2016. - №2 4-3. - С. 4748.
2. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 19-21.
3. Гафуров А.М. Использование сбросной низкопотенциальной теплоты для повышения экономической эффективности ТЭС в зимний период времени. // Энергетика Татарстана. - 2014. - № 3-4 (35-36). - С. 69-76.
4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности термодинамического цикла при использовании углекислого газа СО2 и пропана С3Н8. // Инновационная наука. - 2015. - № 11-2. - С. 32-34.
Гафуров А.М. инженер
кафедра «Энергетическое машиностроение»
ФГБОУВО «КГЭУ» Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Россия, г. Казань ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЖИЖЕННОГО УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В статье рассматривается способ утилизации тепловых отходов с помощью установок на низкокипящих рабочих телах. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела использовать сжиженный углекислый газ. Представлены результаты исследования теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2, обеспечивающего утилизацию тепловых отходов с температурой ниже 80°С.
Ключевые слова: утилизация тепловых отходов, органический цикл Ренкина, сжиженный углекислый газ.
