Характеристики рабочего тела

Как уже было сказано выше, термический КПД установки определяется отношением средних температур отвода и подвода тепла в цикле. Поэтому КПД можно повышать либо за счет понижения температуры отвода тепла, либо за счет более высокой температуры нагрева рабочего тела.

В паросиловых установках, работающих на водяном паре, наименьшая температура цикла составляет примерно 25 °C, давление насыщенного пара воды при этой температуре — приблизительно 0,0317 бар. Дальнейшее понижение температуры затруднительно, поскольку требует затрат на вакуумирование. В зимнее время в северных областях России температура окружающей среды бывает существенно ниже 0 °C, однако использование воды в качестве теплоносителя не позволяет использовать это обстоятельство для повышения термического КПД установки. Таким образом, свойства рабочего тела (воды) ограничивают возможное повышение термического КПД цикла.

Повышение температуры водяного пара также имеет предел, поскольку с ростом температуры растет давление пара, а следовательно, возрастают требования к прочности конструкции установки.

Вода является достаточно удобным рабочим телом, поскольку она относительно недорога, достаточно распространена в природе, нетоксична, химически стабильна и сравнительно неактивна в химическом плане. Кроме того, вода имеет сравнительно большую энтальпию испарения, что обеспечивает относительно небольшой расход воды. К сожалению, вода имеет относительно низкую критическую температуру (374°С), что примерно на 225 °C ниже предельной температуры на входе в турбину, которая определяется физико-химическими свойствами конструкционных материалов. Поэтому, чтобы повысить эффективность цикла с участием воды, необходимо переходить в сверхкритическую область, а это, в свою очередь, резко повышает требования к прочности трубопроводов и герметичности стыков, поскольку давление рабочего тела превышает 220 бар.

Таким образом, вода является подходящим рабочим телом для низкотемпературного цикла.

С термодинамической точки зрения критическая температура рабочего тела паросиловой установки должна быть существенно выше 650 К. Это позволило бы осуществить цикл без перегрева пара с изотермическим подводом тепла. Большое значение энтальпии испарения вещества позволило бы увеличить ширину изотермического участка, а следовательно, увеличить величину запасенной энергии. Есть и другие требования к рабочему веществу. В частности, желательно, чтобы в области низких температур цикла (20—30°С) давление паров пара в конденсаторе было не слишком низким, но и не слишком высоким. Давление вещества в критической точке желательно иметь небольшим, чтобы имелась возможность проведения процесса при умеренных давлениях.

Кроме того, рабочее вещество должно быть недорогим, нетоксичным, не взаимодействовать с элементами конструкции, не приводить к коррозии, быть химически стойким при высокой температуре.

Напомним, что термический КПД обратимого цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только отношением наименьшей и наибольшей температур цикла. Термический КПД паросилового цикла зависит от физико-химических свойств рабочего тела.

Идеальных рабочих тел не существует. Вещество с перечисленными требованиями создать пока не удалось.

В последнее время получили распространение тепловые машины, которые предназначены для утилизации низкопотенциальной тепловой энергии. В этих машинах реализован так называемый органический цикл Ренкина. Более подробно об этом цикле и применяемых для его реализации рабочих телах можно прочитать в [ 11.