Исследование термодинамических свойств и теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ

АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

На современном этапе развития энергетики всё больший вес приобретают проекты в сфере малой, или распределенной энергетики. На первый план выходят вопросы эффективного использования энергетических ресурсов, снижения энергозатрат в промышленности и коммунальном хозяйстве, ведутся непрерывные разработки «альтернативных», «нетрадиционных» источников энергии. Одним из направлений работ является разработка электрогенерирующих установок малой мощности (десятки-сотни киловатт) на неводных РВ. Для теплосиловых установок в системах малой распределенной энергетики характерно использование в качестве источников теплоты устройств, где производится сжигание топлива, представляющего собой отходы разного рода производств (например: отходы заготовки древесины и деревообработки, попутный газ, генераторный газ, выхлопы ГТУ и поршневых машин, дымовые газы и др.).

Подобные установки в полной мере отвечают современной концепции децентрализованного электроснабжения и могут использоваться как мини-электростанции для небольших посёлков, промышленных объектов, удалённых от электросетей, а также как вспомогательные, резервные либо аварийные источники электроэнергии автономных объектов различного назначения. Реализация проектов в сфере распределенной энергетики позволит компенсировать некоторые известные недостатки крупных централизованных систем энергоснабжения.

В значительной степени централизованная энергетика работает на обеспечение собственных нужд, поскольку 30% производимой в России электроэнергии расходуется на собственные нужды электростанций, других предприятий топливно-энергетического комплекса, потери в сетях. Аналогичный показатель для стран ЕЭС составляет 14,4%, США 13,9%. Транспортировка топлива, передача электроэнергии на огромные расстояния становятся все более очевидными факторами торможения развития энергетики. Доля транспортных расходов в стоимости твердого топлива достигает 30−50%. Доля сетевых расходов в тарифе на электроэнергию крупных потребителей (более 750 кВА) до 45%!

Развитие систем малой распределенной энергетики на основе электрогенерирующих установок, работающих на основе использования вторичных и возобновляемых источников энергии, должно, безусловно, повысить общий уровень эффективности систем энергоснабжения. Создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии небольшой мощности (до 10 МВт), работающих на местных видах топлива либо на упомянутых выше утилизируемых ресурсах, связано в первую очередь с проблемой выбора стабильного, термодинамически эффективного и экологически безопасного рабочего вещества (РВ).

Выбор в качестве объектов исследований фторорганических рабочих веществ обусловлен необходимостью решения как ряда теплофизических, так и теплотехнических проблем при внедрении новых рабочих тел в теплосиловых установках специального назначения в сфере малой энергетики, атомной отрасли, а также в теплонасосной технике.

В настоящее время направление по разработке энергоустановок на так называемом «органическом цикле Ренкина» (ОЦР) в технически передовых странах бурно развивается. Лидером в их производстве (до 1000 установленных энергомодулей на пентане С^Н^) является фирма «Ormat», США и ее дочерние предприятия. Другие известные производители: «ORIGIN», «Turboden» (Италия), Cryostar (Швейцария,. Франция), ОАО «СМНПО им. В.М. Фрунзе» (Украина, г. Сумы).

Принцип работы установок на базе ОЦР, реализованный рядом зарубежных фирм, практически одинаков. Все установки двухконтурныев первом контуре (с котлом-утилизатором) используются жаропрочные масла либо кремнийорганические теплоносителиво втором контуре (с турбоагрегатом) «Ormat», «Turboden» и ОАО «СМНПО им. В.М. Фрунзе» используют пентан, «ORIGIN» изопентен, «Cryostar» фторораганические рабочие вещества, такие как R245fa, R134a. Термостойкость перечисленных РВ — не более 300 °C, данный фактор ограничивает диапазон применения установок и их термодинамическую эффективность. Двухконтурная схема работает с промежуточным теплообменником, процессы в котором снижают параметры РВ перед турбиной и вызывают необратимые потери эксергии. РВ углеводородного состава второго контура пожаро и взрывоопасны, их применение требует реализации специальных мероприятий и также ограничивает сферу их внедрения.

Применение в теплосиловых энергоустановках в качестве рабочих веществ фторуглеродов является новаторским и требует выполнения комплекса научных исследований, опытных и расчетных проработок.

Поиск заменителей водяных, углеводородных и газовых рабочих тел теплосиловых установок в настоящей работе проводился в классе веществ, относящихся к фторуглеродам (СР4, СзБ8, С4Р8: С4Рю.). Результаты настоящей работы призваны доказать, что использование фторуглеродов в подобных установках обеспечит более высокий уровень термодинамической эффективности, экологической и технологической безопасности по сравнению с пароводяными, газовыми, углеводородными (органический цикл Ренкина) установками.

Сфера внедрения таких энергоустановок может быть весьма широка: в комплексах утилизации попутных нефтяных газов, в комплексах утилизации генераторного газа с целью обеспечения технологических процессов собственными энергоресурсамив качестве аварийных автономных источников тепло и электроснабженияв комплексах утилизации выхлопных газов ДВС, ГТУв качестве мини-электростанций на возобновляемых местных биоресурсах и др.

В условиях зимней эксплуатации, сезонного и периодического действия электрогенерирующие установки малой и средней мощности на фторорганическом РВ имеют по сравнению с пароводяными аналогами ряд преимуществ. Например, обеспечивают возможность реализации низкотемпературных циклов, дают возможность останова без замерзания рабочего тела, быстрые пусковые характеристики, более компактное теплосиловое и тепломассообменное оборудование.

Рассматривалось также применение фторуглеродных соединений в качестве рабочих тел второго контура реакторных установок на быстрых нейтронах при использовании в первом контуре жидкометаллического теплоносителя. В настоящее время в атомной энергетике США и Франции разрабатываются и строятся двухконтурные ядерные энергетические установки, в которых преобразование энергии во втором контуре основано на цикле Брайтона. Для теплосилового контура реакторной установки на быстрых нейтронах предлагается ряд неводных рабочих тел: Ar, Не, СО2, N2 и воздух, которые не требуют чрезмерно высоких давлений, исключают резкое изменение удельных объемов рабочего тела в случае его контакта с теплоносителем первого контура при возникновении течи в контуре газонагревателя.

Однако перечисленные рабочие тела в силу своих теплофизических особенностей при температурах окружающей среды находятся в газообразном состоянии, следовательно, всегда затраты на их сжатие будут велики. Кроме того, не позволяют из-за невысокой молекулярной массы обеспечить разработку и производство компактного тепломассообменного оборудования второго контура с высокими удельными характеристиками по энергонапряженности. В силу перечисленных особенностей для вновь разрабатываемых инновационных проектов (типа БРЕСТ-ОД-ЗОО) были предложены высокомолекулярные рабочие тела фторуглеродного состава (молярный вес порядка 200 единиц) (октафторпропан C3F8, октафторциклобутан С4Р8, декафторбутан C4Fi0). Данные вещества обладают благоприятными для такой цели физическими, химическими и эксплуатационными свойствами при работе в температурном диапазоне до 550 °C, являются стабильными, негорючими, невзрывоопасными, нетоксичными, инертными по отношению к конструкционным материалам.

Ожидается, что внедрение фторуглеродов в качестве рабочих тел второго контура позволит добиться повышения экологической и технической безопасности энергоблока БРЕСТ-ОД-ЗОО и снижения затрат на его строительство и эксплуатацию.

Свойства некоторых фторуглеродов хорошо изучены и представлены для низкотемпературного диапазона, а при повышенных температурах в известной литературе такие данные отсутствовали. Проведение теплофизических исследований данных веществ с целью расширения их диапазона до пределов, необходимых для расчета теплосиловых циклов, является весьма актуальным, обоснованным и необходимым при разработке новых энергоустановок с рабочим телом фторорганического состава.

Высокая термодинамическая эффективность применения в качестве рабочих неводных тел (диоксида углерода С02, октафторпропана СзР8, октафторциклобутана С4р8, декафторбутана С4Рю) для энергетических установок с бинарными циклами впервые была отмечена в работах Гохштейна Д. П. и соавторов [1] ещё в 60-ые годы прошлого века. Однако, расчеты циклов на фторуглеродных РВ с приемлемой точностью могут быть выполнены только по результатам настоящей работы.

Анализ поставленных проблем позволил сформулировать основную цель настоящей работы: это разработка теплофизических основ и теплотехнических баз данных, необходимых для внедрения новых рабочих тел в теплосиловые установки специального назначения в сфере малой энергетики, атомной отрасли, а также в теплонасосную технику.

Ход исследования и структуру диссертационной работы определило содержание исследований и этапов, необходимых для выполнения поставленных задач:

1) проведение измерений руТ соотношений, предлагаемых к внедрению новых рабочих веществ;

2) построение на их основе экспериментально-обоснованных расчетных моделей;

3) разработка процессов, циклов, схем теплосиловых и теплонасосных установок на фторорганических рабочих веществах;

4) проведение теплотехнических испытаний прототипов основных конструкционных элементов таких энергоустановок на новых и традиционных рабочих телах.

Для решения указанных задач использовались две экспериментальные установки: «ррТ» (исследование термодинамической поверхности при повышенных температурах) [2], «руТх «(исследование термических параметров на кривой конденсации и в газовой области) [3], а также была создана и использовалась установка «ТСС-20» (циркуляционный стенд на октафторпропане) мощностью до 80 кВт (исследование циклов и аппаратовпрототипов промышленных теплосиловых установок).

На основе результатов проведенных термодинамических исследований разрабатывались уравнения состояния, рассчитывались процессы, циклы, тепловые схемы энергоустановок. Результаты теплотехнических и ресурсных испытаний циркуляционного стенда на октафторпропане были получены впервые и подтвердили работоспособность, термическую стабильность, высокую эффективность фторуглеродного РВ. Были также измерены интегральные коэффициенты теплоотдачи, термогидравлические характеристики основных аппаратов стенда, т. е. подготовлена база для внедрения фторуглеродов в качестве РВ теплосиловых установок. Решение таких задач необходимо и весьма актуально при переходе к этапу проектирования электрогенерирующих установок широкого ряда мощностей.

Составной частью настоящей работы является исследование термодинамических свойств и теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ для теплонасосной техники.

Существенное прикладное значение имеют результаты исследований теплофизических свойств новых перспективных рабочих веществ, полученные за последние 15 лет на кафедре ТОТ МЭИ, которые завершают поиск и обеспечивают внедрение наиболее энергоэффективных и безопасных в экологическом отношении рабочих тел для теплонасосных систем (ТН) и холодильных установок (ХоУ). Подписание и выполнение Монреальских соглашений по хладагентам привело к вытеснению наиболее распространенных фреонов (например, Я12, ЯП) отечественного производства, упадку и зависимости всей холодильной промышленности, в том числе и важных военных секторов, от зарубежных поставок. В связи с этим особое значение имеют исследования, поставившие во главу угла экономическую, экологическую безопасность страны, способствующие повышению надежности и эффективности систем теплои хладоснабжения объектов и ориентированные именно на поиск альтернативных рабочих тел отечественного производства. Поиск заменителей озоноразрущаюших и радиационно-активных хладонов (Ю14, ЯП, Ш2, .) проводился в классах фторуглеродов СУРХ, фторпропанов СзРхН8. х, фторэфиров НБЕ и их смесей, в том числе и с гексафторидом серы 8Р6, обладающих предельно малыми значениями экологических потенциалов. Заменяемые фреоны обладают очень большими значениями потенциалов истощения озонового слоя ODP (Ozone Depletion Potential) и глобального потепления GWP (Global Warming Potential) или HGWP. Так, для фреона Rll (CFC13) ODP = 1.0, HGWP = 1.0, а для хлорсодержащих фреонов этанового ряда R113 (C2F3CI3) и R114 (C2F4CI2), значения ODP равны соответственно 0.80 и 0.85, а значения HGWP — 1.4 и 4.0. Для бромфреонов R12B1 (CF2BrCl) и R13B1 (CF3Br), значения указанных экологических потенциалов еще больше: ODP равны 3.0 и 13.2, a HGWP — 2.2.

Экспериментальное исследование pvT свойств гептафторбутанолового эфира HFE347mcc и его смесей с R218, R14 и R23 было актуальным в связи с необходимостью научно-технического обеспечения продвижения на рынок новых озонобезопасных рабочих тел с низкими потенциалами глобального потепления.

Фторэфиры являются высоко кипящими, имеют кривые упругости близкие к распространенным фреонам R114 (фтордихлортетраэтан) и R11, и предназначены для их замещения в теплонасосных и кондиционерных установках.

Гептафторбутаноловый эфир (CF3CF2CF2OCH3- HFE347mcc) принадлежит к новой генерации озонобезопасных хладагентов с малыми значениями экологических потенциалов. Так, у HFE347mcc время жизни LT[y] = 5.6, а потенциал глобального потепления GWP [100у] =368 и его рассматривают в качестве возможного заменителя фтортрихлорметана (CFC13- Rll). Октафторпропан (FC218 или R218) также относится к озонобезопасным веществам, его применяют в смесевых хладагентах и рабочих телах.

Экспериментальное исследование системы SFg-CsFg является продолжением работ, проводимых на кафедре Теоретических основ теплотехники МЭИ с начала 80-х годов прошлого века. Объектами исследования стали бинарные смеси SF6 как с низкокипящими веществами (Не, N2, CF4, CHF3, .), так и более высококипящим октафторпропаном CsFg. Благодаря удачному сочетанию электроизоляционных, дугогасящих и тепловых свойств SF6 (элегаз — по терминологии электротехнической отрасли) нашёл широкое применение в газонаполненных высоковольтных кабелях, герметизированных распределительных устройствах и других аппаратах высокого напряжения. Добавление к элегазу октафторпропана несколько снижает давление конденсации рабочей смеси, но одновременно с этим возрастает и её электрическая прочность, так как диэлектрическая проницаемость СзБ8 относительно воздуха несколько выше, чем у 8Бб.

Известны также случаи применения бинарной системы ЭБб — СзБ8 для замены фреона ИЛ 2 в холодильных установках. Данная система при массовой концентрации 8Р6 = 5% (известная как хладон М или Я510) является азеотропной и по данным ее разработчиков [130, 135, 138] показала высокую энергоэффективность при испытаниях в холодильных установках с температурами в холодильной камере ниже минус 20 °C. Результаты новых исследований открывают возможность для более широкого внедрения данного смесевого хладагента в холодильную и теплонасосную технику.

Для решения задач термодинамического исследования хладагентов также использовались две вышеупомянутые экспериментальные установки: «ррТ «и «руТх «(исследование термодинамической поверхности как индивидуальных, так и смесевых рабочих тел) [2, 3]. Перечень объектов экспериментального термодинамического исследования, выполненного на этих установках, приведен в табл. 1.

Таблица 1 — Перечень объектов и диапазон исследования термодинамических свойств фторорганических рабочих веществ.

Вещество или смесь веществ Формула Вид иссл. Свойство Фаза Температура, К Давление, МП а.

Я218 (РС218) Октафторпропан СР3 СР2 СР3 Экс. р г 373.773 0,1.10.

ЯЗЫОСРСЗЫО) Декафторбутан СРз №)2 СРз Экс. р" р. р Г, ж, ЛФР 293. 773 0,1.10.

НРЕ347тсс Гептафторбутаноловый эфир СРзСР2СР2ОСНз Экс. р5,.р5, р, р, р Г, ЛФР 313.353 0,1.0,4.

Ш25/КЛ43а Пентафторэтан/ Трифторэтан СНР2СР3/ Экс. р. р" р Г, ЛФР 283.348 0,26.3,9.

11 846/ 11 218 Гексафторид серы/ Октафторпропан 8Р6/ СР3 СР2 СР3 Экс. р, р, р Г, ЛФР 288.333 0,14.3,4.

FC218/HFE347mcc Октафторпропан/ Гептафторбутаноловый эфир CF3 CF2 CF3/ CF3CF2CF2OCH3 Экс. Р" Р > Р г, ЛФР 299.358 0,1.2.

HFC23/HFE347mcc Трифторметан/ Гептафторбутаноловы й эфир CF3H/ CF3CF2CF2OCH3 Экс. Р> Р"Р Г, ЛФР 288.353 0,1.3.

FC14/HFE347mcc Тетрафторметан/ Гептафторбутаноловы й эфир cf4/ cf3cf2cf20ch3 Экс. Р. р Р Г, ЛФР ЛГ 1 л г ZJJ. JJJ 0,1.6.

При внедрении нового поколения рабочих веществ парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ) необходимо было решать вопросы, связанные с обоснованием выбора новых рабочих тел, определением энергетической эффективности циклов, интенсификацией тепломассообмена в испарителе/конденсаторе и др.

Для анализа энергетической эффективности теплонасосных установок и их элементов использовались научно-исследовательские стенды кафедральной лаборатории «Теплонасосные системы»: «ТН300У» на R134a, «ТН-14» на R22, «ТН-18» на диоксиде углерода и многофункциональный комплекс программ обработки результатов теплотехнических измерений [5- 7].

Экспериментальная часть стендов реализует обратный термодинамический (холодильный) цикл и позволяет проводить исследования по оптимизации энергетических циклов, выбору рабочих тел ТНУ, оптимизации конструкции испарителя/конденсатора ТНУ, в том числе определять коэффициенты теплоотдачи при кипении/конденсации и проводить анализ эффективности оребренных теплообменных поверхностей. Модульная конструкция стенда позволяет оперативно изменять конфигурацию рабочего участка в испарителе/конденсаторе и проводить замену рабочего вещества ТНУ.

Разработка проблем интенсификации процессов тепломассообмена в аппаратах теплонасосных установок имеет непосредственное прикладное значение. Интенсификация теплообмена в испарителе/конденсаторе ТНУ является одним из способов повышения компактности и экономичности установки в целом. Для исследования проблем интенсификации тепломассообмена в основных аппаратах ТНУ была использована экспериментальная установка Института Тепловой и.

Энергетической Техники Университета Падеборна (Германия), разработанная для измерения кривых кипения на трубах с микрострурированными поверхностями. В качестве испытуемых веществ были выбраны широко распространенный в холодильной и теплонасосной технике фреон Ю34а и синтезированный теплоноситель фторуглеродного состава с высокой смачиваемостью РС-3284.

Расчетно-теоретическое исследование в настоящей работе проводилось с помощью уравнений состояния, разработанных, в основном, на базе собственных экспериментальных данных и, в меньшей мере, данных других авторов. Расчетные модели позволили провести разработку процессов и циклов энергоустановок на фторорганических рабочих веществах, оценить их термодинамические и теплотехнические характеристики. Новые модели и опытные данные существенно расширили базу для проектирования энергетических установок на новых рабочих телах фторорганического состава.

Результаты исследований предназначены, в первую очередь, для внедрения в системах малой распределенной энергетики.

Основные результаты работы вошли в состав комплекса исследований, представленного на соискание премии правительства РФ коллективом под научным руководством профессора Сычева В. В., и были высоко оценены научным сообществом. Автор настоящей диссертационной работы стал лауреатом премии Правительства РФ в области науки и техники за 2008 год за «Разработку и внедрение комплекса прецизионных данных о теплофизических свойствах рабочих веществ криогенной и холодильной техники и тепловых насосов».

Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам, которые стали соавторами ряда публикаций и принимали непосредственное участие в выполнении научно-исследовательских работ по диссертационной тематике: Утенкову В. Ф., Закопырину М. А., Кузнецову К. И., Устинову В. А., Скородумову С. В., Милютину В. А., Антаненковой И.С.

Результаты исследования проблем внедрения фторуглеродов в качестве РВ и разработки теплосиловых циклов для АЭС были получены при выполнении заказов Госкорпорации «Росатом» и переданы в ОАО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля» и проектно-конструкторский филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом».

Результаты анализа бинарных циклов для схем парогазовых установок (ПГУ) в случае замещения пароводяного турбинного контура на фторуглеродный также показывают высокую термодинамическую эффективность таких рабочих веществ. Разработка новых схем ПГУ была проведена на расчетной базе (экспериментально-обоснованные уравнения состояния), подготовленной на предыдущих этапах настоящей работы.

Параметры ПГУ с регенеративной ГТУ на декафторбутане С4Р10 и утилизацией остаточной теплоты рекуператора были рассчитаны, исходя из максимально возможной в настоящее время температуры на входе в турбину ГТУ (1250 °С) и минимальной температуры на выходе отработанных газов в дымовой коллектор из котла-утилизатора (100 °С). При таких параметрах внутренний КПД бинарного цикла, без учета потерь на прокачку рабочего тела в рекуператоре и котле-утилизаторе, составил 74%. Это позволяет предполагать, что, при удачном конструировании, будет возможно получение в реальной парогазовой установке электрического КПД нетто, существенно превышающего 60%!

Для внедрения в атомную промышленность установок большой мощности на фторуглеродном РВ потребуется определенный этап работы по заказам и под руководством научно-исследовательских и проектных организаций атомной отрасли. Необходимым условием внедрения данного технологического направления будет изменение приоритетов в стратегии Росатома, переход к инновационным проектам по разработке реакторных установок на быстрых нейтронах, замкнутому топливному циклу.

По мнению автора, внедрение технологии генерации электрической энергии на фторорганических веществах в системы распределенной энергетики может быть более быстрым и успешным.

Результаты расчета и анализа тепловой схемы и цикла установок по утилизации теплоты генераторного газа показывают перспективность таких разработок. В качестве примера, подтверждающего данный вывод, предлагаются результаты расчета тепловой схемы энергоустановки по утилизации генераторного газа тепловой мощностью в 1000 кВт.

На первой стадии используется высокий температурный потенциал газа на выходе из генератора (охлаждение от 500 до 60 °С), и электрическая энергия вырабатывается в трехконтурной установке мощностью 86 кВт с теплообменником (котлом-утилизатором) мощностью 212 тепловых кВт. На второй стадии электрическая энергия вырабатывается при сжигании генераторного газа в камере сгорания ГТУ с выделением тепловой мощности в 1000 кВт и утилизацией остаточной теплоты выхлопных газов в энергоустановке на октафторциклобутане. Таким образом, электрический КПД с учетом затрат на привод насосов и компрессоров всего комплекса утилизации был оценен в 57%.

Отмечен ряд технологических и конструкционных преимуществ, возможных при внедрении фторуглеродов в качестве рабочего вещества теплосиловых установок.

Выполненные расчеты тепловых утилизационных схем подтверждают высокую энергетическую эффективность использования фторорганических рабочих веществ в теплосиловых циклах и могут быть использованы на этапе формирования технического задания на проектирование подобных установок различной мощности и назначения.

Рекомендации, сформулированные на основе результатов исследований, переданы в организации, специализирующиеся на разработке и реализации проектов по утилизации вторичных энергоресурсов (НПФ «ЭКИП», ОАО «Карбоника»).

Для использования в теплосиловых установках, в первую очередь, рекомендуются следующие фторуглероды: октафторпропан R218, октафторциклобутан RC318, декафторбутан R31−10. Первый обладает наибольшей термостойкостью (до 630 °С), октафторциклобутан уступает по термостойкости (до 550 °С) декафторбутану (до 580 °С). С точки зрения термодинамической эффективности при малых давлениях октафторпропан уступает двум более высококипящим фторуглеродам, и диапазон его оптимальных рабочих давлений приближается к 14 МПа. Как показали результаты расчетно-теоретического исследования, декафторбутан несколько превосходит по термодинамической эффективности октафторциклобутан, а рекомендуемый рабочий диапазон давлений этих веществ не более 9 МПа.

Практически все разрабатываемое оборудование в контуре фтору гл ер одной теплосиловой установки не имеет промышленных аналогов. Однако высокая термодинамическая эффективность предлагаемых схем, наличие отечественной базы по производству фторуглеродов, возможность существенного удешевления их производства делает, на взгляд автора, подобные проекты вполне реальными. Их инновационный характер, приоритет российских ученых и их советских предшественников несомненны.

В плане развития настоящей тематики при переходе к этапу проектирования опытно-промышленных образцов рекомендуется постановка и проведение исследований термостойкости и коррозионного взаимодействия фторуглеродов с конструкционными материалами.

С целью подтверждения расчетно-теоретических разработок был построен циркуляционный стенд на октафтопропане (CsFg) тепловой мощностью котельного агрегата порядка 80 кВт в качестве маломасштабного прототипа реальной теплосиловой установки на фторуглеродном рабочем веществе. На стенде были проведены теплотехнические ресурсные испытания до 600 часов непрерывной работы циркуляционного стенда. Результатами спектрометрического анализа подтверждена высокая термическая и химическая стабильность фторуглеродного рабочего вещества во всем диапазоне рабочих параметров до 530 °C и 6 МПа на образцах рабочего тела, полученных при работе стенда через 100, 300, 600 часов (время одного цикла 13,5 сек.).

Результаты ресурсных и теплотехнических испытаний позволили определить характерные режимы работы основных аппаратов стенда. Была создана математическая модель процессов термогидродинамики в рекуперативных теплообменниках стендовой установки. Она была реализована в виде компьютерной программы в среде MATHCAD и позволила определять локальные характеристики теплообмена и гидравлики вдоль поверхности рекуператора. Была проведена её верификации на базе опытных данных и сформулированы рекомендации для использования при проектировании рекуперативных теплообменников большой мощности.

В результате выполнения «Инновационной образовательной программы 2007;2008 гг.» на кафедре Теоретических основ теплотехники им. М. П. Вукаловича МЭИ под руководством автора и его непосредственном участии была спроектирована и создана научно-исследовательская лаборатория «Теплонасосные системы». Все стенды оснащены современными средствами автоматизированных измерений и контроля рабочих параметров. В её состав вошли следующие теплонасоные установки: ТНУ на диоксиде углерода мощностью 20 кВтТНУ на смесевом хладагенте R22/R142b мощностью 3 кВтТНУ на смесевом хладагенте RC318/R846 мощностью 8 кВтТНУ на смесевом хладагенте R407a мощностью 8 кВт и экспериментальный стенд «ТН-300″ на основе ТНУ на хладагенте R134a мощностью 300 Вт. В качестве источников низкопотенциальной теплоты используются циркуляционная вода ТЭЦ МЭИ, грунт в подвальном помещении кафедры, водопроводная вода, искусственное излучение с его утилизацией солнечным коллектором. Потребителями произведенной теплоты в системе демонстрационного теплоснабжения кафедры являются: 18 конвекторов, теплые У полы площадью 30 м», два бойлера ТВ С. К настоящему моменту подробно исследованы теплотехнические характеристики ТНУ на диоксиде углерода, на индивидуальных хладагентах R134a и R22.

Были разработаны оригинальные схемы и теплообменные аппараты ТНУ, на основные технические решения были получены авторские свидетельства. Получены экспериментально обоснованные соотношения для расчета теплоотдачи при кипении и конденсации исследованных хладагентов на рельефных поверхностях теплообмена в элементах ТНУ. Экспериментально подтверждена возможность повышения коэффициента теплопередачи при использовании таких поверхностей в 3−5 раз. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании нового поколения теплонасосных установок, работающих в составе перспективных систем теплои холодоснабжения на предприятиях и электростанциях.

На основе результатов исследования теплотехнических характеристик основных аппаратов ТНУ выполнен термодинамический анализ и произведено сопоставление эффективности теплонасосных установок на диоксиде углерода и наиболее распространенных хладагентах R134a и R22. Показано, что основным препятствием широкого внедрения ТНУ на диоксиде углерода являются не высокие рабочие давления, а необходимость включения в схему низкотемпературных потребителей теплоты, необходимость в которых есть далеко не всегда. Низкая температура обратного внешнего теплоносителя обуславливает его невысокий расход и скорость движения в аппаратах. При конструировании газохладителей/водонагревателей необходимо решать, в первую очередь, вопросы интенсификации теплообмена со стороны внешних теплоносителей (воды, воздуха). Результаты сопоставления показывают, что при отсутствии низкотемпературного потребителя термодинамическая эффективность ТНУ на диоксиде углерода существенно ниже (более, чем в два раза) по сравнению с ТНУ на R22. Для повышения эффективности и внедрения ТНУ на диоксиде углерода необходима разработка специальных схем именно для систем теплоснабжения.

Был сделан вывод о том, что повышение эффективности фреоновых ТНУ может быть достигнуто применением неазеотропных смесей в качестве рабочего вещества. Результаты теплотехнических испытаний ТНУ на R22, R134a, диоксиде углерода, их анализа и сопоставления создали базу для постановки экспериментальных работ и решения теплотехнических вопросов при внедрении смесевых фторуглеродных хладагентов. Проведенный расчетно-теоретический анализ показал перспективы внедрения в качестве рабочего вещества ТНУ неазеотропных смесевых композиций на основе фторуглеродов и гексафторида серы и дальнейшего развития направления по повышению энергоэффективности ТНУ.

Непосредственное научное и практическое значение имеют результаты экспериментального исследования процесса пузырькового кипения в большом объёме на микроструктурированных поверхностях, изготовленных с помощью новых технологий и рекомендуемых в качестве рабочих элементов основных теплообменных аппаратов ТНУ. Было выполнено экспериментальное исследование характеристик кипения (перегрев стенки) двух рабочих веществ фторорганического состава на пучке из двух трубок (тандем) с различным типом микроструктурированных поверхностей в зависимости от следующих факторов: тепловой нагрузки и давления.

Эксперименты проведены при кипении двух рабочих веществ: хладона Ш34а и теплоносителя фторуглеродного состава БС-3284 в большом объеме при различных давлениях. Экспериментальные данные представлены в виде кривых кипения. Выявлено, что исследуемые в работе микроструктуры вносят основной вклад в процесс парообразования. Показано, что необходим лишь незначительный перегрев теплоотдающей поверхности для начала устойчивого кипения жидкости. Установлено, что тандемное расположение трубок даёт незначительное улучшение процесса кипения на верхней трубке по сравнению с одиночной тестовой трубой. Новая структура поверхности позволяет значительно «сместить» кризис кипения в сторону больших тепловых потоков.

Важным практическим результатом является доказательство высокой стабильности процесса кипения исследуемых хладагентов на микроструктурированных поверхностях именно при низких давлениях.

Кипение жидкостей при низких (и особенно ниже атмосферного) давлениях обычно очень нестабильно и демонстрирует значительно большие значения перегрева поверхности, чем измеренные в данной работе. Из-за своих уникальных геометрических свойств новая микроструктура создает такие условия для возникновения и роста паровых пузырей на поверхности теплообмена, при которых процесс кипения при давлении ниже атмосферного протекает стабильно при очень низких перегревах поверхности (менее 5 К).

Разработка проблем интенсификации процессов тепломассообмена в аппаратах теплонасосных установок имеет непосредственное прикладное значение. Интенсификация теплообмена в испарителе/конденсаторе ТНУ является одним из способов повышения компактности и экономичности установки в целом.

На кафедре Теоретических основ теплотехники МЭИ за последние 10 лет был выполнен ряд хоздоговорных и госбюджетных работ, руководителем которых был автор диссертации, по теме исследования процессов теплообмена фреоновых рабочих веществ на микроструктурированных и оребренных поверхностях.

Данная работа продолжает эту тематику, а ее результаты существенно пополняют имеющуюся базу экспериментальных и расчетных данных. В результате исследований были получены интегральные коэффициенты теплоотдачи в основных аппаратах ТНУ и локальные коэффициенты теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях, предлагаемых в качестве рабочих элементов испарителей и конденсаторов ТНУ.

В результате выполнения комплекса исследований (пополнение экспериментальных и расчетных баз данных о теплофизических свойствахразработка процессов, циклов, схем теплосиловых и теплонасосных установок на фторорганических рабочих веществахпроведение теплотехнических испытаний прототипов основных конструкционных элементов энергоустановок на новых и традиционных рабочих телах) разработаны теплотехнические основы внедрения ряда фторорганических соединений в качестве новых рабочих веществ теплосиловых установок в системы малой распределенной энергетики, атомную отрасль и теплонасосную технику.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения комплекса экспериментальных и расчетно-теоретических исследований в течение тринадцатилетнего периода получены новые данные о термодинамических свойствах и теплотехнических характеристиках ряда как индивидуальных, так и смесевых рабочих веществ фторорганического состава энергетических и теплонасосных установок.

Задачи исследования, поставленные в диссертационной работе, успешно выполнены.

Проведены измерения р>Т соотношений, необходимые для построения моделей расчета термодинамических свойств и процессов реальных энергетических и теплонасосных установок на предлагаемых к внедрению новых рабочих веществах.

Получены:

1. Опытные данные о плотности октафторпропана (С3Р8) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах (в интервале температур от 373 до 773 К и давлении до 10 МПа).

2. Опытные данные о плотности декафторбутана (С4Рю) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах до 773 К и давлениях до 10 МПаполучены опытные данные о плотности в области жидкости, а также — при умеренных температурах вблизи кривой конденсации, по которым рассчитаны ортобарические плотности р и р" .

3. Опытные данные для фторэфира НРЕ347тсс по давлению насыщения р5 в диапазоне температур Т = 313,15. .353,15 К и экспериментальные руТданные в диапазоне температур от 333,15 до 353,15 К и давлений от 105,93 до 372,56 кПа.

4. Экспериментальные рТданные для бинарных смесей фторэфира НРЕ347тсс с хладонами РС218, НРС23 и РС14 в газовой фазе и на кривых конденсации для трех составов каждой композиции.

5. Экспериментальные руТ — данные в паровой фазе и на кривой конденсации системы 8Р6 — С3Р8 диапазоне температур Т = 238,15.333,15 К при давлениях до 3500 кПа для двух составов.

Новые опытные рТ — соотношения для вышеперечисленных индивидуальных и смесевых рабочих веществ существенно расширили диапазон данных, известных из литературных источников, и, главным образом, обеспечили возможность построения уравнений состояний в широком интервале температур работы энергетических установок (до 800 К).

В аналитическом обзоре был отмечен дефицит данных о термодинамических свойствах в первую очередь по декафторбутану, поэтому измерения плотности (удельного объема) декафторбутана были выполнены на двух экспериментальных установках методически независимыми способами. Новые результаты не только существенно расширили диапазон известных измерений, но и позволили провести анализ качества полученной информации.

По результатам обзора литературных источников был также сделан вывод о том, что, если при умеренных параметрах для октафторпропана возможно проведение теплотехнических расчетов на основе данных о переносных свойствах и известных расчетных моделях, то для декафторбутана такие данные для оценки переносных свойств в диапазоне рабочих параметров основных аппаратов энергоустановок отсутствуют. Актуальными остаются и рекомендуются для выполнения дальнейших исследований по данной тематике постановка и проведение измерений вязкости и теплопроводности декафторбутана, как в газовой, так и в жидкой фазах.

Погрешность полученных экспериментальных данных по октафторпропану и декафторбутану была оценена в пределах 0,2% без учета погрешностей отнесения для данных, полученных методом пьезометра постоянного объема, и 0,15% -методом последовательных расширений. Максимальные погрешности измерений с учетом вероятных ошибок отнесения в надкритической области не превысили 0,45% (такие состояния не входят в область инженерных расчетов). В диапазоне расчетов теплосиловых циклов полная погрешность измерения плотности октафторпропана и декафторбутана составляет 0,19.0,27%.

Экспериментальное исследование руТ соотношений гептафторбутанолового эфира НРЕ347тсс (фторэфира) и его смесевых композиций с октафторпропаном БС218, трифторметаном НРС23, тетрафторметаном РС14 проводилось в соответствии с концепцией продвижения на рынок озонобезопасных рабочих тел с низкими потенциалами глобального потепления.

Композиции с фторэфиром более низкококипящих компонентов, например, таких, как октафторпропан (СзРв), позволят формировать неазеотропные бинарные системы, близкие по параметрам к заменяемым фреонам Ш2, Ш14, ЯП. Добавки низкокипящих компонентов, таких, как трифторметан Я23 и тетрафторметан Ш4 позволят формировать неазеотропные бинарные системы, близкие по параметрам к весьма распространенному Я22. Термодинамические свойства таких систем дают возможность снижения внешних (уменьшение среднего температурного напора в конденсаторе и испарителе установки) и внутренних необратимых потерь (при дросселировании и сжатии рабочего тела) в обратных циклах и достижения более высоких холодильных коэффициентов преобразования (в теплонасосных установках).

Новые экспериментальные руТх — данные для системы 8Р6 — С3Р8 были получены в результате продолжения крупномасштабной программы исследований теплофизических свойств, в первую очередь, молекулярного гексафторида серы в газовой и жидкой фазах (1970 — 1977 г. г.), а также — его смесей с низкокипящими веществами (1982 — 1995 г. г.), выполненных в эти периоды на кафедрах Теоретической теплотехники и Инженерной теплофизики МЭИ.

Данная система представляет интерес не только для высоковольтной энергетики, но и для низкотемпературной техники. Добавление к элегазу октафторпропана несколько снижает давление конденсации рабочей смеси, но одновременно с этим возрастает и её электрическая прочность, так как диэлектрическая проницаемость С3Р8 относительно воздуха несколько выше, чем у 8Р6 (2,5 против 2,3.2,4). Кроме того, данная смесь при массовой концентрации 8Р6 = 5%, известная как хладон М или Я510а, предлагается к применению в качестве альтернативного озонобезопасного хладагента. Данный состав является азеотропным в широком диапазоне рабочих температур холодильных установок. Добавки БРб позволяют оптимизировать количество растворяемого в хладагенте масла, поскольку способность гексафторида серы растворять и переносить минеральное масло на порядок выше по сравнению с фторуглеродным веществом.

Все данные по фтоэфиру и смесям на его основе, а также по смесевым композициям гексафторида серы и октафторпропана были получены на двухкамерной установке «руТх» методом изохорически связанных последовательных расширений опытного образца. Предельные погрешности измерения температуры и давления в ячейке равновесия оценивались в пределах: д Т = ± 0,03 К- 5Р = ± 0,05%. Индивидуальные компоненты исследуемых систем содержали не менее 99,90% основного продукта и, следовательно, только данный фактор всецело определял погрешность состава в пределах 0,2%. Погрешность полученных значений коэффициента сжимаемости (или мольных объемов) без учета ошибок отнесения оценивалась величиной не более 0,15%.

На базе, в основном, собственных и литературных данных были построены экспериментально-обоснованные уравнения состояния для расчета прямых и обратных циклов и процессов в диапазонах рабочих параметров теплосиловых, холодильных и теплонасосных установок. Получены:

1. Уравнения состояния октафторпропана и декафторбутана вириального типа для газовой фазы в диапазонах до 12 МПа и до 823,15 К.

2. Аппроксимационная зависимость для давления насыщения фторэфира НРЕ347тсс для диапазона Т = 260. .437,7 К.

3. Уравнение состояния кубического типа Карнахана-Старлинга-де Сантиса кривой насыщения фторэфира НРЕ347тсс с использованием как собственных данных на кривой конденсации, так и данных японских исследователей.

4. Уравнение состояния вириального типа эфира НРЕ-347тсс для газовой фазы в диапазоне температур Т = 320. .445 К и давлений до 4,5 МПа.

5. Уравнения состояния вириального типа смесевых хладагентов на основе фторэфира НРЕ347тсс, октафторпропана РС218, трифторметана НРС23, тетрафторметана РС14 для газовой фазы в диапазоне температур Т = 303. .353 К и давлений до 2 МПа.

Аналитически подтверждено, что разработанные в настоящей работе расчетные модели и полученные данные о калорических свойствах достаточно надежны во всей области заявленных параметров и могут быть использованы при проектировании термодинамических циклов и для расчетов аппаратов энергетических установок.

На основе разработанных уравнений состояния рассчитаны таблицы основных термодинамических свойств рабочих веществ в газовой фазе коэффициент сжимаемости г, удельные энтальпия к, энтропия 5, изобарная теплоемкость ср 5 изохорная су и скорость звука IV).

На основе разработанных в настоящей работе уравнений состояния октафторпропана и декафторбутана были впервые с достаточной точностью рассчитаны циклы и процессы теплосиловых установок различного назначения.

Проведенный термодинамический анализ показал, что применение фторуглеродов в качестве рабочих веществ теплосиловых циклов АЭС позволит реализовать сверхкритический прямой теплосиловой цикл с давлением до 14 МПа и температурой перед турбиной до 630 °C, с конденсацией пара при избыточных давлениях, например, на октафторпропане. Для более высокомолекулярных: декафторбутана и октафторциклобутана — такие высокие КПД цикла (более 45%) могут быть достигнуты и при более низких давлениях (6−8 МПа), однако, ограничения последних РВ по термостойкости снижают допустимую температуру перед турбиной на 30−40 °С при использовании С4Рю и еще на 30−40 °С для С4?8. Конфигурация такого цикла с расширением РВ в турбине на перегретом паре и сжатием жидкой фазы насосом обеспечивает высокую интегральную температуру подвода теплоты и объединяет преимущества газовых циклов (Брайтона) и пароводяных (Ренкина).

В настоящей работе сформулированы термодинамические особенности циклов на фторуглеродах и разработаны теплотехнические основы для внедрения таких веществ в качестве рабочих тел теплосилового контура реакторной установки на быстрых нейтронах с жидкими металлическими теплоносителями. Сделан вывод о том, что для РУ типа «БРЕСТ-ОД-ЗОО», «БН ГТ-300/100» со свинцовым теплоносителем только применение фторуглеродного РВ в термодинамическом сверхкритическом цикле с внутренней регенерацией обеспечит необходимую высокую температуру на входе в парогенератор (не менее 350 °С) и высокий КПД цикла. Расчетно-теоретический анализ доказывает, что при реализации таких циклов совокупность теплофизических свойств фторуглеродов в данных условиях работы энергоустановок позволит достичь более высоких КПД, чем при использовании в качестве РВ воды либо газов, а также упростить тепловую схему и разработать компактную турбоустановку.

Предполагается, что внедрение фторуглеродов в качестве рабочих тел теплосилового контура АЭС на быстрых нейтронах позволит повысить не только термодинамическую эффективность, но и экологическую и технологическую безопасность энергоблока АЭС.