Научная статья на тему 'ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОЗОНОБЕЗОПАСНЫХ НИЗКОКИПЯЩИХ РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ УСТАНОВОК'

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОЗОНОБЕЗОПАСНЫХ НИЗКОКИПЯЩИХ РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ УСТАНОВОК Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
69
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТУРБОДЕТАНДЕР / ФРЕОН / ХЛАДАГЕНТ / ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ / ТЕПЛОВЫЕ ОТХОДЫ / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ / ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / ПОТЕНЦИАЛ РАЗРУШЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ / ПОТЕНЦИАЛ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ / ГИДРОФТОРУГЛЕРОДЫ / ПРИРОДНЫЕ ХЛАДАГЕНТЫ / СМЕСЕВЫЕ ХЛАДАГЕНТЫ / ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ХЛАДАГЕНТЫ / ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ / НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ / ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ / ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА / TURBODETANDER / FREON / REFRIGERANT / SECONDARY ENERGY RESOURCES / THERMAL WASTE / THERMODYNAMIC EFFICIENCY / EXERGETIC ANALYSIS / OZONE LAYER DESTRUCTION POTENTIAL / GLOBAL WARMING POTENTIAL / HYDROFLUOROCARBONS / NATURAL REFRIGERANTS / MIXED REFRIGERANTS / SINGLE-COMPONENT REFRIGERANTS / BOILING POINT / LOW-POTENTIAL ENERGY / GREENHOUSE GAS EMISSIONS / CLIMATE CHANGE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Овсянник А. В., Ключинский В. П.

В статье рассмотрены 46 низкокипящих рабочих тел (НКРТ), имеющих нулевой потенциал разрушения озонового слоя: 14 однокомпонентных гидрофторуглеродных хладагентов, 28 многокомпонентных смесей гидрофторуглеродных хладагентов и четыре природных хладагента. Произведен термодинамический анализ рабочих тел на базе классической турбодетандерной схемы с теплообменным аппаратом, предназначенным для охлаждения перегретого НКРТ, покинувшего турбодетандер. Для данной схемы построен цикл в T-s-координатах. Сравнение НКРТ производилось по эксергетическому коэффициенту полезного действия (КПД). В ходе исследования выявлено, что для некоторых НКРТ последовательность расположения зависимостей эксергетического КПД от температуры при оптимальных с термодинамической точки зрения давлениях рабочих тел сохраняется на всем изучаемом интервале температур (от 100 до 300 оС). Иными словами, если рабочее тело имеет наибольший эксергетический КПД, то это свойство присуще ему при любой температуре в заданном интервале. Анализ НКРТ по эксергетическому КПД предложено проводить по произвольно выбранной температуре (250 оС). Исследование показало, что наибольшим эксергетическим КПД из природных хладагентов обладает R600A (50,25 %), среди однокомпонентных гидрофторуглеродных хладагентов - R245FA (50,00 %), R1233ZD(E) (49,91 %), R236EA (49,59 %), среди многокомпонентных смесей гидрофтор-углеродных хладагентов - R429A (47,92 %), R430A (47,49 %) и R423A (47,47 %). Из всех рассмотренных НКРТ наибольший эксергетический КПД имеют: R600A, R245FA, R1233ZD(E), R236EA, R1234ZE(Z), R236FA. Они принадлежат как к природным хладагентам (углеводороды), так и к однокомпонентным гидрофторуглеродным. Следует отметить, что у каждого из этих рабочих тел есть свои недостатки: одни обладают высоким потенциалом глобального потепления, другие взрывоопасны, третьи имеют высокую стоимость.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Овсянник А. В., Ключинский В. П.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF OZONE-SAFE LOW BOILING WORKING MEDIA FOR TURBO-EXPANDER PLANTS

The article considers 46 low-boiling working media (LBWM) with zero potential for ozone layer destruction. Out of them, 14 ones are single-component hydrofluorocarbon refrigerants, 28 ones are multi-component mixtures of hydrofluorocarbon refrigerants, and the four ones are native refrigerants. Thermodynamic analysis of working media based on the classical turbo-expander scheme with a heat exchanger designed to cool the superheated LBWM that has left the turbo-expander has been performed. For this scheme, a cycle is constructed in T-s-coordinates. The LBWM was compared using the exergetic coefficient of efficiency (KE). In the course of the study, it was found that for some LBWM, the sequence of location of the exergetic efficiencydependences on temperature at thermodynamically optimal working medium pressures is preserved over the entire temperature range under study (from 100 to 300 оC). In other words,if the working medium has the highest exergetic efficiency coefficient, then this property is inherent in it at any temperature in a given interval. It is proposed to perform the analysis of the LBWM for exergetic efficiency at an arbitrarily selected temperature (250 оC). The study demonstrated that the highest exergetic efficiency of natural refrigerants is R600A (50.25 %), among single component hydrofluorocarbon refrigerants - R245FA (50.00 %), R1233ZD(E) (49.91 %), R236EA (49.59 %), among multi-component mixtures of hydrofluorocarbon refrigerants - R429A (47.92 %), R430A (47.49 %) and R423A (47.47 %). Out of the all examined refrigerants, the following ones have the highest exergetic efficiency of all the considered LBWM: R600A, R245FA, R1233ZD(E), R236EA, R1234ZE(Z), R236FA. They belong to both natural refrigerants (hydrocarbons) and single-component hydrofluorocarbons. It should be noted that each of these working media has its drawbacks: some have a high potential for global warming, others are explosive, and others have a high cost.

Текст научной работы на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОЗОНОБЕЗОПАСНЫХ НИЗКОКИПЯЩИХ РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ УСТАНОВОК»

Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. Т. 63, № 6 (2020), с. 554-562 554 Епе^ейка. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. V. 63, No 6 (2020), pp. 554-562

https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562 УДК 658.261:621.56

Термодинамический анализ озонобезопасных

низкокипящих рабочих тел

для турбодетандерных установок

А. В. Овсянник1*, В. П. Ключинский1*

'-Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого (Гомель, Республика Беларусь)

© Белорусский национальный технический университет, 2020 Belarusian National Technical University, 2020

Реферат. В статье рассмотрены 46 низкокипящих рабочих тел (НКРТ), имеющих нулевой потенциал разрушения озонового слоя: 14 однокомпонентных гидрофторуглеродных хладагентов, 28 многокомпонентных смесей гидрофторуглеродных хладагентов и четыре природных хладагента. Произведен термодинамический анализ рабочих тел на базе классической турбодетандерной схемы с теплообменным аппаратом, предназначенным для охлаждения перегретого НКРТ, покинувшего турбодетандер. Для данной схемы построен цикл в Г-з-координатах. Сравнение НКРТ производилось по эксергетическому коэффициенту полезного действия (КПД). В ходе исследования выявлено, что для некоторых НКРТ последовательность расположения зависимостей эксергетического КПД от температуры при оптимальных с термодинамической точки зрения давлениях рабочих тел сохраняется на всем изучаемом интервале температур (от 100 до 300 оС). Иными словами, если рабочее тело имеет наибольший эксергетический КПД, то это свойство присуще ему при любой температуре в заданном интервале. Анализ НКРТ по эксергетическому КПД предложено проводить по произвольно выбранной температуре (250 оС). Исследование показало, что наибольшим эксергетическим КПД из природных хладагентов обладает R600A (50,25 %), среди однокомпонентных гидрофторуглеродных хладагентов - R245FA (50,00 %), R1233ZD(E) (49,91 %), R236EA (49,59 %), среди многокомпонентных смесей гидрофторуглеродных хладагентов - R429A (47,92 %), R430A (47,49 %) и R423A (47,47 %). Из всех рассмотренных НКРТ наибольший эксергетический КПД имеют: R600A, R245FA, R1233ZD(E), R236EA, R1234ZE(Z), R236FA. Они принадлежат как к природным хладагентам (углеводороды), так и к однокомпонентным гидрофторуглеродным. Следует отметить, что у каждого из этих рабочих тел есть свои недостатки: одни обладают высоким потенциалом глобального потепления, другие взрывоопасны, третьи имеют высокую стоимость.

Ключевые слова: турбодетандер, фреон, хладагент, вторичные энергетические ресурсы, тепловые отходы, термодинамическая эффективность, эксергетический анализ, потенциал разрушения озонового слоя, потенциал глобального потепления, гидрофторуглероды, природные хладагенты, смесевые хладагенты, однокомпонентные хладагенты, температура кипения, низкопотенциальная энергия, эмиссия парниковых газов, изменение климата

Для цитирования: Овсянник, А. В. Термодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установок / А. В. Овсянник, В. П. Ключинский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 554-562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562

Адрес для переписки Address for correspondence

Овсянник Анатолий Васильевич Ovsyannik Anatolii V.

Гомельский государственный технический Sukhoi State Technical

университет имени П. О. Сухого University of Gomel

просп. Октября, 48, 48, Octiabria Ave.,

246746, г. Гомель, Республика Беларусь 246746, Gomel, Republic of Belarus

Тел.: +375 232 40-20-36 Tel.: +375 232 40-20-36

оУ8уапшк@М.Ъу [email protected]

Thermodynamic Analysis of Ozone-Safe Low Boiling Working Media for Turbo-Expander Plants

A. V. Ovsyannik", V. P. Kliuchinski4

'^Sukhoi State Technical University of Gomel (Gomel, Republic of Belarus)

Abstract. The article considers 46 low-boiling working media (LBWM) with zero potential for ozone layer destruction. Out of them, 14 ones are single-component hydrofluorocarbon refrigerants, 28 ones are multi-component mixtures of hydrofluorocarbon refrigerants, and the four ones are native refrigerants. Thermodynamic analysis of working media based on the classical turboexpander scheme with a heat exchanger designed to cool the superheated LBWM that has left the turbo-expander has been performed. For this scheme, a cycle is constructed in Г-s-coordinates. The LBWM was compared using the exergetic coefficient of efficiency (KE). In the course of the study, it was found that for some LBWM, the sequence of location of the exergetic efficiency dependences on temperature at thermodynamically optimal working medium pressures is preserved over the entire temperature range under study (from 100 to 300 0C). In other words, if the working medium has the highest exergetic efficiency coefficient, then this property is inherent in it at any temperature in a given interval. It is proposed to perform the analysis of the LBWM for exergetic efficiency at an arbitrarily selected temperature (250 0C). The study demonstrated that the highest exergetic efficiency of natural refrigerants is R600A (50.25 %), among single-component hydrofluorocarbon refrigerants - R245FA (50.00 %), R1233ZD(E) (49.91 %), R236EA (49.59 %), among multi-component mixtures of hydrofluorocarbon refrigerants - R429A (47.92 %), R430A (47.49 %) and R423A (47.47 %). Out of the all examined refrigerants, the following ones have the highest exergetic efficiency of all the considered LBWM: R600A, R245FA, R1233ZD(E), R236EA, R1234ZE(Z), R236FA. They belong to both natural refrigerants (hydrocarbons) and single-component hydrofluorocarbons. It should be noted that each of these working media has its drawbacks: some have a high potential for global warming, others are explosive, and others have a high cost.

Keywords: turbodetander, freon, refrigerant, secondary energy resources, thermal waste, thermodyna-mic efficiency, exergetic analysis, ozone layer destruction potential, global warming potential, hydro-fluorocarbons, natural refrigerants, mixed refrigerants, single-component refrigerants, boiling point, low-potential energy, greenhouse gas emissions, climate change

For citation: Ovsyannik A. V., Kliuchinski V. P. (2020) Thermodynamic Analysis of Ozone-Safe Low Boiling Working Media for Turbo-Expander Plants. Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. 63 (6), 554-562. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562 (in Russian)

Введение

Все более широкое применение в современной энергетике приобретают турбодетандерные установки с рабочим телом, имеющим более низкую, чем у воды, температуру кипения. Благодаря этому испарение низкокипя-щего рабочего тела происходит при относительно низкой температуре, что и позволяет утилизировать низкопотенциальную энергию.

Однако выбор рабочего тела является сложной и многокритериальной задачей [1-4]. Решения Монреальского протокола коренным образом изменили подход к традиционным озоноразрушающим хладагентам, и начиная с 1990-х гг. на одно из первых мест вышел вопрос об опасности изменения климата и сохранения эмиссии парниковых газов, вызванной такими хладагентами. Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют следующие параметры: озоноразрушающий потенциал (ОРП) и потенциал глобального потепления (ПГП) (парникового эффекта). Для хладагентов группы хлорфторуглероды ОРП > 1, для гидро-хлорфторуглеродов ОРП < 0,1, а для гидрофторуглеродов ОРП = 0 [5].

Таким образом, основные требования к НКРТ можно разделить на следующие группы: экологические, термодинамические, эксплуатационные, экономические. Хладагенты, отвечающие всем перечисленным требованиям, найти практически невозможно [6]. С термодинамической точки зрения одним из основных критериев выбора рабочего тела является максимальная удельная работа цикла или максимальный коэффициент полезного действия.

Эксергия - предельное значение энергии, которое может быть полезным образом использовано (получено или затрачено) в термодинамическом процессе с учетом ограничений, накладываемых законами термодинамики. Эксергетический анализ, учитывающий потери от неравновесности процессов в системе, позволяет выполнить как относительную, так и абсолютную оценку степени термодинамического совершенства применяемых технологий по сравнению с анализом, основанным на энергетическом КПД [7-9].

Предлагается оценить эффективность НКРТ, обладающих нулевым потенциалом разрушения озонового слоя, при помощи эксергетического КПД. Методика термодинамического анализа турбодетандерных циклов на НКРТ представлена в[10].

Турбодетандерная схема и принцип ее работы

Исследования проводились на примере классической турбодетандерной схемы с теплообменным аппаратом на выходе из турбодетандера, предназначенным для охлаждения перегретого НКРТ, покинувшего турбодетан-дер (рис. 1).

Продукты сгорания в

Рис. 1. Схема турбодетандерного цикла: 1 - котел-утилизатор; 2 - турбодетандер;

3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 - насос; 6 - теплообменник

Fig. 1. The scheme of the turbo-expander cycle: 1 - heat recovery boiler; 2 - turbo expander;

3 - generator; 4 - condenser; 5 - pump; 6 - heat exchanger

Принцип работы представленной схемы следующий: из конденсатора 4 жидкое НКРТ насосом 5 подается в теплообменный аппарат 6, где нагревается парами НКРТ, поступающими в теплообменный аппарат из турбоде-тандера 2. После нагрева в теплообменнике 6 рабочее тело направляется в котел-утилизатор 1, где нагревается, испаряется и перегревается. Далее оно поступает в турбодетандер, где совершает механическую работу вращения вала турбодетандера 2, связанного муфтой с генератором электрического тока 3. Затем НКРТ, будучи еще в перегретом состоянии, охлаждается до температуры, близкой к температуре насыщения при данном

давлении, в теплообменнике 6 и поступает в конденсатор 4, где и конденсируется.

Для термодинамического анализа приняты следующие условия и исходные данные: объем, состав и температура продуктов сгорания неизменны во всех исследуемых случаях; температура на выходе из конденсатора (температура конденсации) равна 25 оС для всех рабочих тел; коэффициент полезного действия элементов установки для всех исследуемых случаев одинаковы. При этом расход рабочего тела выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась его необходимая температура на выходе из котла-утилизатора при неизменном объеме, составе и температуре продуктов сгорания. Выбор давления рабочего тела перед турбодетандером производится так, чтобы получить максимальный эксергетический КПД при данной температуре.

Цикл исследуемой схемы представлен на 7—.^-диаграмме (рис. 2) на примере хладагента Я245РЛ при температуре рабочего тела перед турбодетандером 250 оС и оптимальном давлении.

Энтропия, кДж/(кг-°С) Рис. 2. Цикл турбодетандерной установки в Г-з-координатах Fig. 2. The cycle of a turbo-expander unit presented in Г-s-coordinates

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 - повышение давления НКРТ в насосе 5; 2-2' - изобарный процесс нагрева рабочего тела в теплообменнике 6; 2'-3 - изобарный процесс нагрева, парообразования и перегрева в котле-утилизаторе 1; 3-4 - процесс расширения НКРТ в турбоде-тандере 2; 4-5 - изобарный процесс охлаждения паров хладагента в теплообменнике 6; 5-1 - изобарный процесс охлаждения и конденсации паров хладагента в конденсаторе 4.

Термодинамический анализ и результаты исследований

В ходе исследования выявлено, что для некоторых НКРТ (рис. 3) последовательность расположения зависимостей эксергетического КПД от температуры при оптимальных с термодинамической точки зрения давлениях рабочих тел сохраняется на всем изучаемом интервале температур (от 100 до 300 оС). Иными словами, рабочее тело, доминирующее по

эксергетическому КПД, является таковым при любой температуре в заданном интервале. Предложено анализ рабочих тел по эксергетическому КПД осуществлять по произвольно выбранной температуре (250 оС).

-R236EA

-R125

-R134A

-R245FA

-С02

-R410A

- К >34YI

150 200 Температура,

350

Рис. 3. Зависимость эксергетического коэффициента полезного действия от температуры для различных низкокипящих рабочих тел

Fig. 3. Dependence of exergetic efficiency on temperature for various low-boiling working fluids

На основе вышесказанного произведен расчет цикла для различных рабочих тел при температуре 250 оС. Рабочие тела, исследуемые в данной статье, некоторые их показатели, а также результаты расчетов представлены в табл. 1-3. Для удобства анализа полученные результаты приведены в виде диаграммы (рис. 4).

Таблица 1

Исследуемые однокомпонентные хладагенты [11, 12] Single-component refrigerants under study [11, 12]

№ Рабочее тело ОРП ПГП Давление НКРТ перед Эксергетический

пп (100 лет) турбодетандером, МПа КПД, %

1 R125 0 3450 13,32 46,15

2 R134A 0 1360 10,38 46,97

3 R143A 0 5080 11,94 46,50

4 R152A 0 124 9,02 46,56

5 R227EA 0 3220 9,16 48,34

6 R23 0 14760 16,65 40,58

7 R236EA 0 1370 6,78 49,59

8 R236FA 0 9810 7,43 48,72

9 R245FA 0 1030 5,98 50,00

10 R32 0 674 13,51 42,59

11 R1234YF 0 4 9,80 47,95

12 R1234ZE(E) 0 6 8,95 47,62

13 R1234ZE(Z) 0 1,4 5,51 49,42

14 R1233ZD(E) 0 1 4,91 49,91

Таблица 2

Исследуемые смесевые хладагенты [11, 12] The mixed refrigerants under study [11, 12]

№ пп Рабочее тело ОРП ПГП (100 лет) Давление НКРТ перед турбодетандером, МПа Эксергетический КПД, %

1 R404A 4200 12,38 46,38

2 R407A 0 2100 12,91 45,07

3 R407B 0 2800 13,28 45,58

4 R407C 0 1700 12,58 44,89

5 R407D 0 1600 11,88 45,27

6 R407E 0 1500 12,36 44,82

7 R410A 0 2100 14,14 44,47

8 R413A 0 2000 10,85 46,54

9 R417A 0 2300 11,86 46,20

10 R419A 0 2900 12,34 45,81

11 R421A 0 2600 12,24 45,98

12 R421B 0 3100 12,98 46,06

13 R422A 0 3100 12,90 46,23

14 R422B 0 2500 12,16 46,12

15 R422C 0 3000 12,84 46,19

16 R422D 0 2700 12,43 46,14

17 R423A 0 2200 10,10 47,47

18 R424A 0 2400 11,97 46,13

19 R425A 0 1500 11,60 45,28

20 R426A 0 1400 10,55 46,81

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

21 R427A 0 2200 12,34 45,26

22 R429A 0 21 8,88 47,92

23 R430A 0 120 9,25 47,49

24 R431A 0 46 10,84 47,26

25 R434A 0 3300 12,51 46,23

26 R435A 0 30 9,11 47,07

27 R437A 0 1700 11,01 46,46

28 R507A 0 4300 12,49 46,38

Примечание. Хладагенты Я508Л и Я508Б не рассматривались, так как их критическая температура ниже температуры конденсации НКРТ в конденсаторе (менее 25 оС).

Таблица 3

Исследуемые природные хладагенты [11, 12] The natural refrigerants under study [11, 12]

№ Рабочее тело ОРП ПГП Давление НКРТ перед Эксергетический

пп (100 лет) турбодетандером, МПа КПД, %

1 Диоксид углерода 0 1 21,92 38,92

2 Аммиак 0 0 12,98 39,88

3 R290 0 3 10,50 47,53

4 R600A 0 3 6,99 50,25

Как видно из рис. 4, наибольшим эксергетическим КПД обладает природный хладагент Я600Л (50,25 %). Среди однокомпонентных гидро-

фторуглеродных хладагентов наибольший эксергетический КПД имеют К245РА (50,00 %), Я12332Б(Б) (49,91 %), И236БА (49,59 %), среди многокомпонентных смесей гидрофторуглеродных хладагентов - Я429А (47,92 %), Я430А (47,49 %) и Я423А (47,47 %).

А ♦

X*

ч я

во ■ А "

10

12

14

16

18

20

22

Давление, МПА

R600A

R227LA

R423A

R4 ] ЗА

R422A

R422B

R407D

R32

R245FA

R1234YF

R431A

R143A

R417A

R421R

R427A

R23

A R1233ZD(E) X R236EA ♦ R290 R134A

R429A R435A R437A R422C R421A R407A Аммиак

R507A

R125

R4I9A

R407C

CQ2

R1234ZE(Z)

R1234ZL(L)

R426A

R4D4A

R422D

R407R

R407E

Рис. 4. Результаты исследований низкокипящих рабочих тел (указаны в порядке уменьшения их эксергетического КПД)

Fig. 4. The results of the study of the low-boiling working media (indicated in order of decreasing their exergetic efficiency)

R236FA

R430A

R152A

R434A

R424A

R425A

R410A

Из всех рассмотренных НКРТ наибольшим эксергетическим КПД обладают следующие хладагенты: Я600А, И245БА, Я12332Б(Б), И236БА, Я12342Б(2), И236БА. Они принадлежат как к природным хладагентам (углеводороды), так и к однокомпонентным гидрофторуглеродным. Я600А (изобу-тан) имеет низкий потенциал глобального потепления (ПГП = 3), но при этом пожаровзрывоопасен; И245БА, Я236БА и И236БА являются однокомпонент-ными гидрофторуглеродными хладагентами, но обладают довольно высоким потенциалом глобального потепления (ПГП И245БА = 1030, ПГП Я236БА = = 1370, ПГП И236БА = 9810); у Я12332Б(Б), Я12342Б(2) низкий потенциал глобального потепления (ПГП Я12332Б(Б) = 4,91; ПГП Я12342Б(2) = = 5,51), они не взрывоопасны, но имеют довольно высокую стоимость.

Обратим внимание на следующую тенденцию: большим эксергетическим КПД обладают рабочие тела с меньшим оптимальным (с термодинамической точки зрения) давлением при данной исследуемой температуре. Изучив потери эксергии по элементам турбодетандерной установки выборочно для некоторых рабочих тел с различными эксергетическими КПД (рис. 5), не удалось выявить, какие из потерь эксергии оказывают решающее влияние

на выбор рабочего тела. Так, например, сравнив рабочие тела Я12332Б(Б) и Я236БЛ, можно заметить, что Я12332Б(Б) имеет большие потери эк-сергии в котле-утилизаторе, однако меньшие потери эксергии в насосе и теплообменном аппарате делают его более эффективным по сравнению с И236БЛ. Сопоставление И236БЛ и Я430Л выявляет обратную тенденцию: И236БЛ, обладающий большим эксергетическим КПД, имеет меньшие потери эксергии в котле-утилизаторе, но большие потери в теплообменнике.

0.6 0.5 0,4 0,3 0,2 0.1 0

Hill :

чНИ чЧИПИИ

у # ^ .ЙР* ^

Потери эксергии ■ в котле-утялизаторе

I в турбодетандере

в конденсаторе

в теплообменном аппарате

в насосе

эксергетнческнн КЦД

Рис. 5. Потери эксергии по элементам турбодетандерной установки Fig. 5. Exergy losses according to the elements of a turbo-expander unit

ВЫВОДЫ

1. Последовательность расположения зависимостей эксергетического КПД от температуры при оптимальных с термодинамической точки зрения давлениях рабочих тел сохраняется на всем исследуемом интервале температур (от 100 до 300 оС), т. е. рабочее тело, обладающее наибольшим эк-сергетическим КПД при заданной температуре, имеет наибольший эксер-гетический КПД на всем исследуемом интервале температур.

2. Наибольшим эксергетическим КПД обладают следующие рабочие тела: R600A, R245FA, R1233ZD(E), R236EA, R1234ZE(Z), R236FA. Дальнейший анализ этих рабочих тел показал, что каждому из них присущи свои недостатки: у одних высокий потенциал глобального потепления, другие взрывоопасны, третьи имеют высокую стоимость. В ходе исследований выявлено, что большим эксергетическим КПД обладают рабочие тела с меньшим оптимальным (с термодинамической точки зрения) давлением при данной исследуемой температуре.

ЛИТЕРАТУРА

1. On the Role of Working Fluid Properties in Organic Rankine Cycle Performance / M. Z. Stijepovic [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2012. Vol. 36. P. 406-413. https://doi .org/10.1016/j. applthermaleng.2011.10.057.

2. Fluid Selection and Parametric Optimization of Organic Rankine Cycle Using Low Temperature Waste Heat / Z. Q. Wang [et al.] // Energy. 2012. Vol. 40, Is. 1. P. 107-115. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.02.022.

3. Овсянник, А. В. Турбодетандерная установка на диоксиде углерода с производством жидкой и газообразной углекислоты / А. В. Овсянник // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. С. 77-87. https://doi.org/10. 21122/1029-7448-2019-62-1-77-87.

4. Овсянник, А. В. Определение параметров теплообмена при парообразовании смесевых хладагентов на высокотеплопроводных порошковых спеченных капиллярно-пористых покрытиях / А. В. Овсянник, Е. Н. Макеева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 1. С. 70-79. https://doi.org/10.21122/1029-7448-

2018-61-1-70-79.

5. Бабакин, Б. С. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе / Б. С. Бабакин, В. И. Стефанчук, Е. Е. Ковтунов. М.: Колос, 2000. 160 с.

6. Белов, Г. В. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике / Г. В. Белов, М. А. Дорохова // Наука и образование: науч. изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 2. С. 99-124.

7. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бро-дянский. М.: Энергия, 1973. 295 с.

8. Бродянский, В. М. Эксергетический метод и его приложения / В. М Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек; под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

9. Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. М.: Энергия, 1968. 280 с.

10. Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник [и др.] // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2019. № 2. С. 41-51.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

11. Синтетические холодильные агенты, регулируемые Киотским протоколом / О. Б. Цветков [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. 2015. № 4. С. 1-8.

12. Озонобезопасные хладагенты / О. Б. Цветков [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. 2014. № 3. С. 98-111.

Поступила 20.02.2020 Подписана в печать 28.04.2020 Опубликована онлайн 30.11.2020

REFERENCES

1. Stijepovic M. Z., Linke P., Papadopoulos A. I., Grujic A. S. (2012) On the Role of Working Fluid Properties in Organic Rankine Cycle Performance. Applied Thermal Engineering, 36, 406-413. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.10.057.

2. Wang Z., Zhou Q. N. J., Guo J., Wang X. Y. (2012) Fluid Selection and Parametric Optimization of Organic Rankine Cycle Using Low Temperature Waste Heat. Energy, 40 (1), 107-115. https ://doi.org/10.1016/j.energy .2012.02.022.

3. Ovsyannik A. V. (2019) Carbon Dioxide Turbine Expander Plant Producing Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeti-cheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (1), 77-87. https://doi.org/10.21122/1029-7448-

2019-62-1-77-87 (in Russian).

4. Ovsyannik A. V., Makeeva E. N. (2018) Determining of Parameters of Heat Exchange for Vaporization of the Mixed Refrigerant on the High Thermal Conductivity Sintered Powder Capillary-Porous Coatings. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob'edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (1), 70-79. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-1-70-79 (in Russian).

5. Babakin B. S., Stefanchuk V. I., Kovtunov E. E. (2000) Alternative Refrigerants and Service of Refrigeration Systems Based on them. Moscow, Kolos Publ. 160 (in Russian).

6. Belov G. V., Dorokhova M. A. (2014) Organic Rankine Cycle and its Application in Renewable Power Engineering. Nauka i Obrazovanie = Science & Education, (2), 99-124 (in Russian).

7. Brodyanskii V. M. (1973) Exergetic Method of Thermodynamic Analysis. Moscow, Energia Publ. 295 (in Russian).

8. Brodyanskii V. M., Fratsher V., Mikhalek K. (1988) Exergetic Method and its Applications. Moscow, Energoatomizdat Publ. 288 (in Russian).

9. Shargut Y., Petela R. (1968) Exergy. Moscow, Energia Publ. 280 (in Russian).

10. Ovsyannik A. V., Valchenko N. A., Kovalchuk P. A., Arshukov A. I. (2019) Trigeneration of Energy in Carbon Dioxide Turbo-Expander Plants. Vestnik GGTU imeni P. O. Sukhogo [Bulletin of the Sukhoi State Technical University of Gomel], (2), 41-51 (in Russian).

11. Tsvetkov O. B., Baranenko A. V., Laptev Yu .A., Sapozhnikov S. Z., Fedorov A. V., Kushne-rov A. B. (2015) Kyoto Protocol and Environmentally Acceptable Synthetic Halocarbon Refrigerants. Nauchnyi Zhurnal NIUITMO. Ser. Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie = Scientific Journal NRU ITMO. Series Refrigeration and Air Conditioning, (4), 1-8 (in Russian).

12. Tsvetkov O. B., Baranenko A. V., Sapozhnikov S. Z., Laptev Yu. A., Pyatakov G. L., Khovalyg D. M. (2014) Ozone Layer-Safe Refrigerants. Nauchnyi Zhurnal NIU ITMO. Ser. Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie = Scientific Journal NRU ITMO. Series Refrigeration and Air Conditioning, (3), 98-111 (in Russian).

Recеived: 20 February 2020 Accepted: 28 April 2020 Published online: 30 November 2020

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.