Робоча рідина для енергетичних установок з циклом ренкіна

Реферат: Робоча рідина для енергетичних установок з органічним циклом Ренкіна містить основні елементи вуглець і водень. Рідина містить один зв'язок кисню з чотирма зв'язками водню і з двома зв'язками вуглецю, що забезпечує роботу установки в діапазоні температур від 12 °C до 190 °C. UA 99375 U (12) UA 99375 U UA 99375 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до енергетичної галузі для забезпечення роботи паротурбінних установок з органічним циклом Ренкіна (ORC-турбіни). Сучасні ORC-турбіни використовують циклічне перетворення теплової енергії пари в механічну або в електричну енергію. Цикл починається з утворення пари в теплообміннику, де нагрівається низькокипляче робоче тіло (НРТ). Після утворення пари, вона подається на турбіну. Після передачі кінетичної енергії турбіні пара подається в конденсатор. В конденсаторі пара охолоджується і перетворюється у рідину, яка подається насосом в теплообмінник. Цикл, названий циклом Ренкіна, повторюється. Як НРТ використовуються різні рідинні суміші, які повинні задовольняти наступним вимогам. 1. Для заданого робочого діапазону температур енергоносія питома робота циклу повинна бути максимальною, що досягається збільшенням теплоти випаровування НРТ. 2. Низька в'язкість рідкої і парової фаз НРТ повинна забезпечити малі втрати на тертя і велике значення коефіцієнта тепловіддачі. 3. Висока теплопровідність НРТ дозволить забезпечити ефективний нагрів і охолоджування його в теплообмінниках. 4. Тиск насиченої пари НРТ в циклі Ренкіна не повинен бути ні дуже великим, ні дуже маленьким, оскільки інакше можуть виникнути проблеми створення вакууму і забезпечення міцності і герметичності трубопроводів і арматури. 5. Важливою вимогою до НРТ є термічна стабільність в області високих температур. На жаль, багато органічних сполук при нагріванні зазнають хімічні перетворення, а фізичні властивості їх також міняються. 6. НРТ не повинно замерзати у всьому діапазоні робочих температур. Тому потрійна точка робочого тіла повинна лежати нижче за найменшу температуру циклу [1]. 7. НРТ не повинно бути токсичним і легкозаймистим, а попадання його в навколишнє середовище не повинне викликати забруднення. 8. НРТ має бути недорогим. В роботі [1] наведені результати аналізу 39 наукових праць з питання дослідження ефективного використання більше 50 НРТ, що використовуються у циклі Ренкіна. В даній роботі автори зазначили, що з розглянутих НРТ нема ні жодного, яке б задовольняло названим вимогам. Пошук ефективного НРТ триває. В роботі [2] для температур 373,15÷473,15 K (100÷200 °C) досліджені НРТ, що наведені у таблиці. Таблиця Значення питомих показників енергоустановки з різними НРТ. 1 НРТ (Рп) Цикл (ККД 10÷12 %) Аміак 4,16 Ізобутан 2,1 Суміш (90 % ізобутан, 10 % ізопентан 1,82 Хладон R142B 1,75 Каскадний цикл (ККД 14,5-15 %) Хладон R142B 2,1 Хладон R12 1,24 Хладон R22 1,25 (m) 2 (N) 3 0,24 0,64 0,52 1,46 35,7 41,2 39,3 41,6 1,1 2,3 1,72 28,3 29,3 14,8 1 - питома енергія N (кВт·с/кг); - продуктивність НРТ - m (кг/с); 3 - тиск випаровування Рп (МПа). 2 35 40 Для заданого діапазону температур найкращу енергоефективність мають установки з НРТ: ізобутан, водоаміачна суміш, та суміш, що складається з 90 % ізобутану та 10 % ізопентан, органічні рідини. Для температур геотермальних вод нижче 423,15 K (150 °C) мають переваги хладони R142, R134 та ін. В роботі [3] для температур 333,15÷473,15 K (60÷200 °C) відзначений ККД енергетичних установок компаній Turboden (Italy), Infinity Turbine LLC (USA), що використовують органічні НРТ (температура закипання на менше 36 °C), на рівні 10÷12 %. 1 UA 99375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В роботі [4] для робочих температур до 350 °C запатентована формула НРТ трипентанів виду СnН2n+2, де n  8  20  . Аналіз відомих теплофізичних параметрів всіх НРТ на основі трипентанів показав, що температура їх кипіння більша за 99 °C, що не надає можливості використовувати дані НРТ для енергетичних установок утилізації геотермального тепла в діапазоні менше 100 °C. Найближчим НРТ за термодинамічними характеристиками "тиск функція температури" для розв'язання задачі перетворення геотермального тепла у електричну енергію в діапазоні температур від 12 °C до 200 °C є НРТ на основі n-бутиленів [5]. Але від'ємна температура кипіння n-бутиленів ускладнює конструкції конденсаторів енергетичних установок. Для енергетичних установок з органічними НРТ, як наведено в роботі [6], для температур 120-350 °C, де досліджені HPT: R600, R600a, R601a, R602, R13b, R134a, R142b, R143a, R404a, R407a, R410a, R503b, R600a/R161, R600a/R141; R600a/R601, NH3/R170 та інші речовини та їх суміші, зазначено, що ККД енергетичних установок з одним циклом Ренкіна знаходиться в межах 13÷16 %, а в каскадних - 17÷24 %. В роботі [7] наведені дослідження НРТ, як суміші, на основі води, вуглеводнів і аліфатичних спиртів. Автор даної роботи відзначає, що в межах температур 393,15÷453,15 K (120÷180 °C) цикл Калини (водоаміачне НРТ) в американських енергетичних установках компанії "Калеке" показав ККД перетворення тепла в електричну енергію на рівні 20-40 % в залежності від кількості аміаку у воді, що вище ККД органічного циклу Ренкіна. Технічна задача корисної моделі: підвищення термодинамічного і загального ККД енергетичних установок, що перетворюють теплову енергію в електричну з використанням вуглеводневих сполук у циклі Ренкіна в діапазоні геотермальних температур від 12 °C до 190 °C. Технічний результат досягається використанням робочої рідина для енергетичних установок з органічним циклом Ренкіна, що містить основні елементи вуглець і водень, відрізняється тим, що містить один зв'язок кисню з чотирма зв'язками водню і з двома зв'язками вуглецю, тобто С2Н4О, що забезпечує роботу установки в діапазоні температур від 12 °C до 190 °C згідно з характеристикою, наведеною на кресленні. На кресленні наведені термодинамічні характеристики: води (Н 2О), HPT (C2H4O) і nбутиленів. Характеристики показують перевагу запропонованого НРТ проти води і n-бутиленів. Джерела інформації: 1. Белов Г.В., Дорохова М.А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике. Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана "Наука и образование". № 2, февраль. - 2014. - С. 99-124. http://technomag.bmstu.ru/doc/699165.html. 2. Редько А.А. Термодинамическая эффективность циклов геотермальных электрических станций. Енергетика: економіка, технології, екологія. Технології. № 1. - 2009. - С. 3-8. 3. Кишкин А.А. Черненко Д.В., Ходенков А.А., Делков А.В., Танасиенко Ф.В. Разработка установок-утилизаторов низкопотенциального тепла на основе органического цикла Ренкина. Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". Энергетика и экология. - № 14 (136). Научно-технический центр "ТАТА". - 2013. - С. 57-63. 4. Патент US 200701857. Рабочая жидкость для энергетических установок с органическим циклом Ренкина. 31.10.2011. 5. Крючков А.П. Общая технология синтетических каучуков. Издание 2-е. Госхимиздат. - М. 1954. - 325 с. 6. Редько А.А. Термодинамическая эффективность процессов преобразования низкопотенциальной теплоты в энергетических установках с органическим теплоносителем. Доповіді Національної академії наук України. Енергетика. № 3. - 2013. - С. 71-55. 7. Базаев А.Р. Исследование термодинамических свойств смесей технически важных веществ как эффективных теплоносителей в энергетических установках. Институт проблем геотермии ДНЦ РАН. Fizika. Cild XIII № 1-2. Махачкала, 2007. - С. 57-60. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Робоча рідина для енергетичних установок з органічним циклом Ренкіна, що містить основні елементи вуглець і водень, яка відрізняється тим, що містить один зв'язок кисню з чотирма зв'язками водню і з двома зв'язками вуглецю, що забезпечує роботу установки в діапазоні температур від 12 °C до 190 °C. 2 UA 99375 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3