CC BY
4
ограничивается показателями критической температуры в 96,7°С и температурой насыщения при давлении не менее 0,1 МПа. Поэтому использование сжиженного газа C3H8 в температурном диапазоне от 100°С до минус 42°С позволит исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры [4].
Наиболее перспективным можно считать возможность синтезирования новых веществ, которые, к примеру, могли бы обладать свойствами характерные углекислому газу СО2, но при этом иметь низкие давления насыщенных паров.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Возможности использования органического цикла Ренкина для утилизации низкопотенциальной теплоты. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2014. - №2 (21). - С. 2025.
2. Патент на изобретение №2552481 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.06.2015 г.
3. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - № 11-12. - С. 36-42.
4. Мисбахов Р.Ш., Мизонов В.Е. Моделирование кинетики застывания жидкой капли при охлаждении. // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ. - 2015. - № 6 (76). - С. 72-74.
УДК 62-176.2
Гафуров А.М.
инженер I категории УНИР, ФГБОУ ВО «КГЭУ»
Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Россия, г. Казань ВЫБОР НИЗКОКИПЯЩЕГО РАБОЧЕГО ТЕЛА ПО ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР ОТ 80°С ДО
МИНУС 55°С
Рассматривается методика выбора оптимального низкокипящего рабочего тела по теплофизическим показателям для использования в тепловом двигателе в области температур от 80°С до минус 55°С на примере C3H8 и СО2.
Ключевые слова: низкокипящее рабочее тело, тепловой двигатель, утилизация тепловых отходов.
Gafurov A.M.
engineer of the I category «Management of research work»
«KSPEU» Gatina R.Z.
4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products»
«KNRTU» Russia, Kazan
THE CHOICE OF THE LOW-BOILING WORKING FLUID ON HEATPHYSICAL INDICATORS FOR USE IN THE HEAT ENGINE IN THE FIELD OF TEMPERATURES FROM 80°C TO MINUS 55°C
The technique of the choice of the optimum low-boiling working fluid on heatphysical indicators for use in the heat engine in the field of temperatures from 80°C to minus 55°C on the example of C3H8 and СО2 is considered.
Keywords: the low-boiling working fluid, the heat engine, utilization of thermal waste.
В настоящее время традиционным теплоносителем и рабочим телом для теплоэнергетических станций является вода. Одной из главных причин использования водяного пара является доступность воды. Также вода является идеальным хладагентом, которая характеризуется следующими теплофизическими характеристиками: высокой теплоемкостью равной примерно 4,2 кДж/кг-К, массовой плотностью равной примерно 1000 кг/м3 и высокой теплопроводностью равной примерно 0,57 Вт/м-К, что для большинства других хладагентов является не достижимым показателем. Однако основным недостатком воды является температура замерзания при понижении температуры ниже 0°С, что ограничивает использование воды в низкотемпературных средах.
Поэтому использование водяного пара в качестве рабочего тела в тепловых двигателях ограничивается температурами от 0°С (теоретически возможно при глубоком вакууме) до 700°С (практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами используемых металлов).
В последнее время большое распространение получило применение тепловых двигателей на низкокипящих рабочих телах (НРТ). Главным достоинством НРТ является возможность его адаптации к различным источникам тепловой энергии. За счет варьирования рабочего тела его можно использовать в широком диапазоне температур и давлений. В частности, применение в тепловых двигателях по утилизации низко- и среднепотенциальной теплоты на уровне 80-160°С с выработкой электроэнергии, что в основном применимо для геотермальной энергетики [1].
Работа теплового двигателя на низкокипящих рабочих телах осуществляется по органическому циклу Ренкина (ОЦР). Основное отличие ОЦР от традиционного цикла Ренкина на водяном паре в том, что термодинамические процессы происходят при более низких температурах.
На сегодняшний день сбросная низкопотенциальная теплота промышленных предприятий с температурой ниже 80°С является не востребованной. Наиболее простым способом избавления от этой теплоты является выброс его в окружающую среду. Проводятся исследования и предлагаются решения по утилизации тепловых отходов промышленных предприятий, с возможностью выработки электроэнергии. Однако основной не решенной задачей является выбор оптимального НРТ для осуществления термодинамического цикла.
Предлагается методика выбора НРТ по теплофизическим показателям для осуществления ОЦР в температурном диапазоне от 80°С до минус 55°С:
1) Значения плотности жидкой фазы НРТ должны быть в пределах от 700 кг/м3 до 1000 кг/м3, чтобы обеспечить меньшие затраты на его сжатие в насосе;
2) Значения плотности газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 20 кг/м3 до 150 кг/м3, чтобы обеспечить максимальный поток массы при уменьшении габаритов установки;
3) Значения кинематической вязкости жидкой и газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 0,01 см2/с до 0,001 см2/с, чтобы обеспечить малые потери на трение и большое значение коэффициента теплоотдачи;
4) Значения теплопроводности жидкой фазы НРТ должны быть в пределах от 0,2 Вт/м-К до 0,6 Вт/м-К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах;
5) Значения теплопроводности газообразной фазы НРТ должны быть в пределах от 0,02 Вт/м-К до 0,05 Вт/м-К, чтобы обеспечить эффективный нагрев и охлаждение в теплообменных аппаратах;
6) Значения удельной теплоты парообразования (фазового перехода) НРТ должны быть в пределах 200-500 кДж/кг, чтобы обеспечить меньшие затраты теплоты на процесс испарения.
Рассмотрим низкокипящие рабочие тела, которые в наибольшей степени могли бы соответствовать указанным теплофизическим показателям на примере сжиженного углекислого газа СО2 и пропана С3Н8 в сравнении с традиционным хладагентом Н2О при температуре в 5°С (табл. 1) [2].
Таблица 1
Параметр, размерность СО2 C3H8 Н2О Преимущ ества
Плотность жидкости, кг/м3 896 522 1000 Н2О
Плотность газа (пара), кг/м3 114 12 0,0068 СО2
Кинематическая вязкость жидкости, см2/с 0,001 0,0023 0,015 СО2
Кинематическая вязкость газа (пара), см2/с 0,0013 0,0063 13,36 СО2
Теплопроводность жидкости, Вт/м-К 0,1043 0,1034 0,57 Н2О
Теплопроводность газа (пара), Вт/м-К 0,0216 0,0163 0,0173 СО2
Удельная теплота парообразования (фазового перехода), кДж/кг 215 368 2489 СО2
Из табл. 1 видно, что низкокипящие рабочие тела могут обладать уникальными свойствами по сравнению с традиционным хладагентом Н2О. В частности углекислый газ СО2 характеризуется высокой плотностью и теплопроводностью газообразной фазы, имеет низкую кинематическую вязкостью жидкой и газообразной фазы, характеризуется низкой удельной теплотой парообразования, что позволяет создавать на их основе малогабаритные и весьма эффективные тепловые двигатели [3].
Областью применения тепловых двигателей на сжиженном СО2 или C3H8 могут быть системы охлаждения конденсаторов паровых турбин, системы утилизации тепловых отходов промышленных предприятий и нефтехимических производств, а также использование в геотермальной энергетике. Расширение области применения тепловых двигателей на НРТ позволит в будущем сократить тепловые выбросы в окружающую среду и повысить эффективность использования топлива в энергетической отрасли.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Перспективные области применения энергетических установок на низкокипящих рабочих телах. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №1 (25). - С. 9398.
2. Гафуров А.М. Выбор оптимального низкокипящего рабочего тела для системы охлаждения конденсаторов паровых турбин по теплофизическим показателям. // Инновационная наука. - 2016. - № 4-3. - С. 43-45.
3. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - № 11-12. - С. 36-42.
