Arbetande vätskor - Working fluids

Värmemotorer, kyl cykler och värmepumpar innebär vanligtvis en fluid till och från vilken värme överförs samtidigt som genomgår en termodynamisk cykel. Denna vätska kallas arbetsfluiden . Kyl- och värmepumpsteknologier hänvisar ofta till arbetsvätskor som köldmedier . De flesta termodynamiska cykler utnyttjar den latenta värmen (fördelarna med fasändring) hos arbetsfluiden. Vid andra cykler förblir arbetsvätskan i gasfas medan den genomgår alla processer i cykeln. När det gäller värmemotorer genomgår arbetsvätskan i allmänhet också en förbränningsprocess , till exempel i förbränningsmotorer eller gasturbiner . Det finns också teknik inom värmepump och kylning, där arbetsvätskan inte ändrar fas , till exempel omvänd Brayton eller Stirling- cykel.

Denna artikel sammanfattar de viktigaste kriterierna för att välja arbetsvätskor för en termodynamisk cykel , till exempel värmemotorer inklusive lågvärmeåtervinning med användning av Organic Rankine Cycle (ORC) för geotermisk energi , spillvärme , termisk solenergi eller biomassa och värmepumpar och kylcykler . Artikeln behandlar hur arbetsvätskor påverkar tekniska tillämpningar, där arbetsfluiden genomgår en fasövergång och inte förblir i sin ursprungliga (huvudsakligen gasformiga ) fas under alla processer i den termodynamiska cykeln.

Att hitta den optimala arbetsvätskan för ett visst syfte - vilket är nödvändigt för att uppnå högre energieffektivitet i energiomvandlingssystemen - har stor inverkan på tekniken, nämligen att det inte bara påverkar driftsvariablerna i cykeln utan ändrar också layouten och modifierar design av utrustningen. Urvalskriterier för arbetsvätskor inkluderar i allmänhet termodynamiska och fysiska egenskaper förutom ekonomiska och miljömässiga faktorer, men oftast används alla dessa kriterier tillsammans.

Urvalskriterier för arbetsvätskor

Valet av arbetsvätskor är känt för att ha en betydande inverkan på den termodynamiska såväl som den ekonomiska prestanda för cykeln. En lämplig vätska måste uppvisa gynnsamma fysikaliska, kemiska, miljömässiga, säkerhets- och ekonomiska egenskaper såsom låg specifik volym (hög densitet ), viskositet , toxicitet , brandfarlighet , ozonutarmningspotential (ODP), global uppvärmningspotential (GWP) och kostnad, samt som gynnsamma processegenskaper såsom hög termisk och exergetisk effektivitet. Dessa krav gäller både rena (enkomponent) och blandade (multikomponent) arbetsvätskor. Befintlig forskning är till stor del fokuserad på urval av rena arbetsvätskor, med ett stort antal publicerade rapporter för närvarande tillgängliga. En viktig begränsning av rena arbetsvätskor är deras konstanta temperaturprofil under fasändring. Arbetsfluidblandningar är mer tilltalande än rena vätskor eftersom deras indunstningstemperaturprofil är varierande följs därför profilen hos värmekällan bättre, i motsats till den plana (konstanta) förångningsprofilen för rena vätskor. Detta möjliggör en ungefär stabil temperaturskillnad under indunstning i värmeväxlaren , myntad som temperaturglid, vilket avsevärt minskar exergetiska förluster. Trots deras användbarhet är de senaste publikationerna som behandlar valet av blandade vätskor betydligt färre.
Många författare gillar till exempel O. Badr et al. har föreslagit följande termodynamiska och fysiska kriterier som en arbetsvätska bör uppfylla för värmemotorer som Rankine-cykler. Det finns vissa skillnader i kriterierna för arbetsvätskor som används i värmemotorer och kylcykler eller värmepumpar, vilka anges nedan i enlighet därmed:

Vanliga kriterier för både värmemotorer och kylcykler

  1. Mättnadstrycket vid cyklens maximala temperatur bör inte vara för stort. Mycket högt tryck leder till mekaniska spänningsproblem, och därför kan onödigt dyra komponenter krävas.
  2. Mättnadstrycket vid minimitemperaturen för cykeln (dvs kondenseringstrycket) bör inte vara så lågt att det leder till problem med tätning mot infiltration av atmosfärisk luft i systemet.
  3. Trippelpunkten bör ligga under den förväntade lägsta omgivningstemperaturen. Detta säkerställer att vätskan inte stelnar vid någon tidpunkt under cykeln eller under hantering utanför systemet.
  4. Arbetsfluiden bör ha ett lågt värde på vätskeviskositeten, ett högt latent förångningsvärme, en hög vätskekonduktivitet och en god vätningsförmåga. Dessa säkerställer att arbetsfluidtrycket sjunker när det passerar genom värmeväxlarna och hjälpledningarna är låga och att värmeöverföringshastigheterna i växlarna är höga.
  5. Arbetsvätskan bör ha låg ång- och vätskespecifika volymer. Dessa egenskaper påverkar värmeöverföringshastigheterna i värmeväxlarna. Den ångspecifika volymen avser direkt storlek och kostnad för cykelkomponenterna. Dessutom leder en hög ångspecifik volym till större volymströmmar som kräver ett flertal avgasändar hos expander vid värmemotorer eller kompressor i kylcykler och resulterar i betydande tryckförluster. Vätskans specifika volym vid kondensortrycket bör vara så liten som möjligt för att minimera det krävda matningsvattenpumparbetet .
  6. Icke- korrosivitet och kompatibilitet med vanliga systemmaterial är viktiga urvalskriterier.
  7. Vätskan bör vara kemiskt stabil över hela den använda temperaturen och tryckområdet. Arbetsfluidens termiska sönderdelningsbeständighet i närvaro av smörjmedel och behållarmaterial är ett mycket viktigt kriterium. Förutom att det är nödvändigt att byta ut arbetsfluiden kan kemisk sönderdelning av vätskan producera icke-kondenserbara gaser som sänker värmeöverföringshastigheten i värmeväxlarna, såväl som föreningar, som har frätande effekter på systemets material.
  8. Icke-toxicitet, icke-brandfarlighet, icke- explosivitet , icke- radioaktivitet och aktuell industriell acceptabilitet är också önskvärda egenskaper.
  9. Vätskan bör uppfylla kriterierna för miljöskyddskraven, såsom en lågkvalitativ ozonutarmningspotential (ODP) och global uppvärmningspotential (GWP).
  10. Vätskan bör ha goda smörjningsegenskaper för att minska friktionen mellan ytorna i ömsesidig kontakt, vilket minskar värmen som alstras när ytorna rör sig och i slutändan ökar cykelprestanda.
  11. Ämnet bör vara till låg kostnad och lätt tillgängligt i stora mängder.
  12. Långvarig (operationell) erfarenhet av arbetsvätskan och möjlig återvinning av vätskor är också fördelaktigt.

Särskilda kriterier för värmemotorer (som Rankine-cykel)

  1. Den kritiska temperaturen på vätskan bör ligga långt över den högsta temperatur som finns i den föreslagna cykeln. Avdunstning av arbetsvätskan - och därmed den betydande tillsatsen av värme - kan sedan uppstå vid cyklens maximala temperatur. Detta resulterar i en relativt hög cykeleffektivitet.
  2. Lutningen d s / d T för den mättade ångledningen i T - s- diagrammet (se kapitel Klassificering av rena (enkomponent) arbetsvätskor) bör vara nästan noll i expanderens applicerade tryckförhållande. Detta förhindrar betydande bildning av fuktighet (flytande dropp) eller överdriven överhettning som uppstår under expansionen. Det säkerställer också att all värmeavstötning i kondensorn sker vid lägsta cykeltemperatur, vilket ökar den termiska effektiviteten.
  3. Ett lågt värde för vätskans specifika värme eller, alternativt, ett lågt förhållande av antalet atomer per molekyl dividerat med molekylvikten och ett högt förhållande mellan det latenta förångningsvärmet och vätskans specifika värme borde passa. Detta minskar mängden värme som krävs för att höja temperaturen på den underkylda vätskan i arbetsfluiden till mättnadstemperaturen motsvarande trycket i Rankinecykles förångare. Så det mesta av värmen tillförs vid den maximala cykeltemperaturen, och Rankine-cykeln kan närma sig Carnot-cykeln.

Särskilda kriterier för kylcykler eller värmepumpar

  1. Lutningen d s / d T för den mättade ångledningen i T - s- diagrammet (se kapitel Klassificering av rena (enkomponent) arbetsvätskor) bör vara nästan noll, men aldrig positiv i kompressorns applicerade tryckförhållande. Detta förhindrar betydande bildning av fuktighet (flytande dropp) eller överdriven överhettning som inträffar under kompressionen. Kompressorer är mycket känsliga för vätskedroppar.
  2. Mättnadstrycket vid indunstningstemperaturen bör inte vara lägre än atmosfärstrycket. Detta motsvarar främst kompressorer av öppen typ.
  3. Mättnadstrycket vid kondensationstemperaturen ska inte vara högt.
  4. Förhållandet kondensation och indunstningstryck bör vara lågt.

Klassificering av rena (enkomponent) arbetsvätskor

Traditionell klassificering

Traditionell klassificering av rena arbetsvätskor. 1 → 2 visar isentropa utvidgningar från mättade ångtillstånd.

Traditionell och för närvarande mest utbredd kategorisering av rena arbetsvätskor användes först av H. Tabor et al. och O. Badr et al. från 60-talet. Detta klassificeringssystem i tre klass sorterar rena arbetsvätskor i tre kategorier. Basen för klassificeringen är formen på vätskans mättnadsånga-kurva i temperatur-entropiplan . Om lutningen för mättnadsånga-kurvan i alla tillstånd är negativ (d s / d T <0), vilket innebär att med minskande mättnadstemperatur ökar värdet för entropi , kallas vätskan våt. Om lutningen för vätsnadens mättnadsånga-kurva är huvudsakligen positiv (oavsett en kort negativ lutning något under den kritiska punkten ), vilket innebär att med minskande mättnadstemperatur också minskas värdet av entropin (d T / d s > 0) , vätskan är torr. Den tredje kategorin kallas isentropisk , vilket betyder konstant entropi och refererar till de vätskor som har en vertikal mättnadsånga-kurva (oavsett en kort negativ lutning något under den kritiska punkten) i temperatur-entropidiagram. Enligt matematisk metod betyder det en (negativ) oändlig lutning (d s / d T = 0). Termerna våt, torr och isentropisk hänvisar till ångkvaliteten efter att arbetsfluiden genomgått en isentropisk ( reversibel adiabatisk ) expansionsprocess från mättat ångtillstånd . Under en isentropisk expansionsprocess slutar arbetsfluidet alltid i tvåfaszonen (även kallad våt), om det är en vätsketyp. Om vätskan är av torrtyp, slutar den isentropiska expansionen nödvändigtvis i den överhettade (även kallade torra) ångzonen. Om arbetsfluiden är av isentropisk typ, förblir vätskan i mättad ångtillstånd efter en isentropisk expansionsprocess. Ångkvaliteten är en nyckelfaktor för att välja ångturbin eller expander för värmemotorer. Se figur för bättre förståelse.

Roman klassificering

Roman klassificering av rena arbetsvätskor.

Traditionell klassificering visar flera teoretiska och praktiska brister. En av de viktigaste är det faktum att det inte finns någon perfekt isentropisk vätska. Isentropiska vätskor har två extrema (d s / d T = 0) på mättnadsånga-kurvan. Praktiskt, finns det vissa fluider, som är mycket nära detta beteende eller åtminstone i ett visst temperaturområde, t ex triklorfluormetan (CCl 3 F). Ett annat problem är omfattningen av hur torr eller isentropisk vätskan uppträder, vilket har betydande praktisk betydelse vid utformning av exempelvis en organisk Rankine Cycle-layout och val av rätt expander. En ny typ av klassificering föreslogs av G. Györke et al. att lösa problemen och bristerna i det traditionella klassificeringssystemet i tre klass. Den nya klassificeringen är också baserad på formen på vätskans mättnadsånga-kurva i temperatur-entropidiagram på liknande sätt som den traditionella. Klassificeringen använder en karakteristisk-baserad metod för att differentiera vätskorna. Metoden definierar tre primära och två sekundära karakteristiska punkter. Den relativa platsen för dessa punkter på temperaturen-mättnadskurvan definierar kategorierna. Varje ren vätska har primära karakteristiska punkter A, C och Z:

Kompatibilitet mellan traditionell och ny klassificering av rena arbetsvätskor. Formen på den mättade ångkurvan hos vätskan beror på den specifika isokoriska (molära) värmekapaciteten (c v ) i detta tillstånd via molekylernas frihetsgrader (f).
  • Primärpunkt A och Z är de lägsta temperaturpunkterna på mättningsvätskan respektive mättnadsånga. Denna temperatur tillhör smältpunkten , som praktiskt taget är lika med fluidens trippelpunkt . Valet av A och Z hänvisar visuellt till den första och sista punkten i mättnadskurvan.
  • Primär punkt C hänvisar till den kritiska punkten , som är en redan väldefinierad termodynamisk egenskap hos vätskorna.

De två sekundära karakteristiska punkterna, nämligen M och N definieras som lokal entropi-extrema på mättnadsånga-kurvan, mer exakt, vid dessa punkter, där minskningen av mättnadstemperaturen förblir konstant: d s / d T = 0. Vi kan lätt inse att med tanke på traditionell klassificering har vätskor av våttyp endast primära (A, C och Z), torrvätskor har primära punkter och exakt en sekundär punkt (M) och omdefinierade vätskor av isentropisk typ har både primära och sekundära poäng (M och N) också. Se figur för bättre förståelse.

Den stigande ordningen på entropivärden för de karakteristiska punkterna ger ett användbart verktyg för att definiera kategorier. Det matematiskt möjliga antalet beställningar är 3! (om det inte finns några sekundära poäng), 4! (om endast sekundär punkt M finns) och 5! (om båda sekundära punkter finns), vilket gör det till 150. Det finns vissa fysiska begränsningar inklusive förekomsten av sekundära punkter minskar antalet möjliga kategorier till 8. Kategorierna ska namnges efter stigande ordning på entropin av deras karakteristik poäng. De möjliga åtta kategorierna är nämligen ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM och ACNMZ. Kategorierna (även kallad sekvenser) kan anpassas till den traditionella klass i tre klass, vilket gör de två klassificeringssystemen kompatibla. Inga fungerande vätskor har hittats, vilket kan anpassas till ACZM- eller ACNZM-kategorier. Teoretiska studier bekräftade att dessa två kategorier kanske inte ens existerar. Baserat på databasen för NIST kan de bevisade 6 sekvenserna av den nya klassificeringen och deras relation till den traditionella ses i figuren.

Flerfunktionella arbetsvätskor

Även om multikomponentarbetsvätskor har betydande termodynamiska fördelar jämfört med rena (enkomponent) sådana, fortsätter forskning och tillämpning att fokusera på rena arbetsvätskor. Det finns emellertid några typiska exempel på multikomponentbaserade tekniker såsom Kalina-cykel som använder vatten- och ammoniakblandning , eller absorptionskylskåp som också använder vatten och ammoniakblandning förutom vatten, ammoniak och väte , litiumbromid eller litiumkloridblandningar i majoritet. Vissa vetenskapliga artiklar behandlar också tillämpningen av flerkomponentarbetsvätskor i organiska Rankine-cykler. Dessa är huvudsakligen binära blandningar av kolväten, fluorkolväten, kolväten, siloxaner och oorganiska ämnen.

Se även

referenser

externa länkar