energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2020-63-6-554-562energy-2011Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGТермодинамический анализ озонобезопасных низкокипящих рабочих тел для турбодетандерных установокThermodynamic Analysis of Ozone-Safe Low Boiling Working Media for Turbo-Expander PlantsОвсянникА. В.OvsyannikA. V.

Address for correspondence Ovsyannik Anatolii V.  -  Sukhoi State Technical University of Gomel, 48, Octiabria Ave., 246746, Gomel, Republic of Belarus. Tel.: +375 232 40-20-36

ovsyannik@tut.byКлючинскийВ. П.KliuchinskiV. P.

г. Гомель

Gomel

Гомельский государственный технический университет имени П. О. СухогоБеларусьSukhoi State Technical University of GomelBelarus202001122020636554562Copyright © Овсянник А.В., Ключинский В.П., 20202020Овсянник А.В., Ключинский В.П.Ovsyannik A.V., Kliuchinski V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2011

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.

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.

турбодетандерфреонхладагентвторичные энергетические ресурсытепловые отходытермодинамическая эффективностьэксергетический анализпотенциал разрушения озонового слояпотенциал глобального потеплениягидрофторуглеродыприродные хладагентысмесевые хладагентыоднокомпонентные хладагентытемпература кипениянизкопотенциальная энергияэмиссия парниковых газовизменение климатаturbodetanderfreonrefrigerantsecondary energy resourcesthermal wastethermodynamic efficiencyexergetic analysisozone layer destruction potentialglobal warming potentialhydrofluorocarbonsnatural refrigerantsmixed refrigerantssingle-component refrigerantsboiling pointlow-potential energygreenhouse gas emissionsclimate changeReferencesOn 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.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.Fluid Selection and Parametric Optimization of Organic Rankine Сycle 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.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.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.Ovsyannik A. V. (2019) Carbon Dioxide Turbine Expander Plant Producing Liquid and Gaseous Carbon Dioxide. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh 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).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.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. Enеrgеtika. 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).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.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).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.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).Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа / В. М. Бродянский. М.: Энергия, 1973. 295 с.Brodyanskii V. M. (1973) Exergetic Method of Thermodynamic Analysis. Moscow, Energia Publ. 295 (in Russian).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.Brodyanskii V. M., Fratsher V., Mikhalek K. (1988) Exergetic Method and its Applications. Moscow, Energoatomizdat Publ. 288 (in Russian).Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут, Р. Петела. М.: Энергия, 1968. 280 с.Shargut Y., Petela R. (1968) Exergy. Moscow, Energia Publ. 280 (in Russian).Тригенерация энергии в турбодетандерных установках на диоксиде углерода / А. В. Овсянник [и др.] // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2019. № 2. С. 41–51.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).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.Tsvetkov O. B., Baranenko A. V., Laptev Yu .A., Sapozhnikov S. Z., Fedorov A. V., Kushnerov A. B. (2015) Kyoto Protocol and Environmentally Acceptable Synthetic Halocarbon Refrigerants. Nauchnyi Zhurnal NIU ITMO. Ser. Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie = Scientific Journal NRU ITMO. Series Refrigeration and Air Conditioning, (4), 1–8 (in Russian).Озонобезопасные хладагенты / О. Б. Цветков [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. 2014. № 3. С. 98–111.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).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.