fluidos de trabalho - Working fluids

Motores de calor, refrigeração ciclos e bombas de calor geralmente envolvem um fluido para e a partir do qual o calor é transferido enquanto submetidos a um ciclo termodinâmico. Este fluido é chamado de fluido de trabalho . Tecnologias de refrigeração e bombas de calor, muitas vezes referem-se a fluidos trabalhando como refrigerantes . A maioria dos ciclos termodinâmicos fazer uso do calor latente (adventages de mudança de fase) do fluido de trabalho. No caso de outros ciclos do fluido de trabalho permanece na fase gasosa enquanto se submetia todos os processos do ciclo. Quando se trata de motores de calor, o fluido de trabalho, geralmente passa por uma combustão processo, bem como, por exemplo, em motores de combustão internaou turbinas a gás . Também existem tecnologias em bomba de calor ou de frio, onde o fluido de trabalho não mudam de fase , tais como inversa Brayton ou Stirling ciclo.

Este artigo resume a principal Critério de selecção de fluidos para o trabalho de um ciclo termodinâmico , tais como motores térmicos , incluindo a recuperação de calor de baixa qualidade usando Ciclo de Rankine orgânico (CRO) para a energia geotérmica , calor perdido , energia solar térmica ou biomassa e bombas de calor e os ciclos de refrigeração . O artigo aborda como fluidos de trabalho afectar as aplicações tecnológicas, onde o fluido de trabalho passa por uma transição de fase e não permanece na sua orientação original (principalmente gasoso fase) durante todos os processos do ciclo termodinâmico.

Encontrando-se o fluido de trabalho ideal para um determinado propósito - que é essencial para alcançar maior eficiência energética nos sistemas de conversão de energia - tem grande impacto sobre a tecnologia, ou seja, não apenas influenciar variáveis ​​operacionais do ciclo, mas também altera o layout e modifica o projeto do equipamento. Os critérios de selecção de fluidos de trabalho geralmente incluem propriedades termodinâmicas e físicas além factores económicos e ambientais, mas na maioria das vezes todos estes parâmetros são utilizados em conjunto.

Os critérios de selecção de fluidos para o trabalho

A escolha de fluidos de trabalho é conhecido por ter um impacto significativo sobre a termodinâmica, bem como o desempenho econômico do ciclo. Um fluido adequado deve apresentar favorável propriedades económicas, tais como baixo físicas, químicas, ambientais, de segurança e de volume específico (alta densidade ), viscosidade , toxicidade , inflamabilidade , potencial de destruição do ozono (ODP), potencial de aquecimento global (GWP) e o custo, bem como características do processo de favoráveis, tais como elevada térmico e exergético eficiência. Estes requisitos são aplicáveis tanto a puro (-componente único) e mistos (multicomponente) fluidos de trabalho. Pesquisa existente é amplamente focada na seleção de fluidos de trabalho puras, com grande número de relatórios publicados atualmente disponíveis. Uma limitação importante dos fluidos de trabalho puros é o seu perfil de temperatura constante durante a mudança de fase. Trabalhando misturas fluidas são mais atraentes do que os fluidos puros porque o seu perfil de temperatura de evaporação é variável, portanto, segue o perfil da fonte de calor melhor, ao contrário do (constante) perfil evaporação plana de fluidos puros. Isto permite uma diferença de temperatura de aproximadamente estável durante a evaporação no permutador de calor , cunhado como deslize de temperatura, o que reduz significativamente exergéticas perdas. Apesar de sua utilidade, publicações recentes que abordam a seleção de fluidos mistos são consideravelmente menos.
Muitos autores, como por exemplo O. Badr et al. sugeriram os seguintes critérios termodinâmicas e físicas que um fluido de trabalho deve atender para os motores de calor, como ciclos de Rankine. Existem algumas diferenças na critera relativas aos fluidos de trabalho utilizadas em motores de calor e ciclos de refrigeração ou de bombas de calor, os quais são enumerados a seguir em conformidade:

critérios comuns para ambos os motores de calor e ciclos de refrigeração

  1. A pressão de saturação à temperatura máxima do ciclo não deve ser excessiva. Pressões muito elevadas levar a problemas de tensão mecânica e, por conseguinte, podem ser necessários componentes desnecessariamente caros.
  2. A pressão de saturação à temperatura mínima do ciclo (isto é, a pressão de condensação) não deve ser tão baixo como para levar a problemas de vedação contra a infiltração de ar atmosférico para o sistema.
  3. O ponto triplo deve situar-se abaixo da temperatura ambiente mínimo esperado. Isto assegura que o fluido não se solidificar em qualquer ponto durante o ciclo nem durante a sua manipulação fora do sistema.
  4. O fluido de trabalho deve possuir um baixo valor da viscosidade do líquido, um elevado calor latente de vaporização, uma elevada condutividade térmica de líquido e uma boa capacidade de molhagem. Estes asseguram que a pressão do fluido de trabalho deixa cair ao passar através dos permutadores de calor e as tubagens auxiliares são baixas e que as taxas de transferência de calor nos permutadores são elevados.
  5. O fluido de trabalho deve ter de vapor baixa e volumes específicos de líquidos. Estas propriedades afecta as taxas de transferência de calor nos permutadores de calor. O volume específico de vapor está directamente relacionada com o tamanho e custo dos componentes do ciclo. Além disso, um volume específico elevado de vapor conduz a fluxos volumétricos maiores que requerem uma multiplicidade de extremidades de escape do expansor em motores de calor ou compressor em ciclos de refrigeração e que resultam em perdas significativas de pressão. O volume específico do líquido no condensador de pressão deve ser tão pequena quanto possível a fim de minimizar a necessária bomba de água de alimentação trabalho.
  6. Não corrosividade e compatibilidade com materiais comuns do sistema são critérios de selecção importantes.
  7. O fluido deve ser quimicamente estável ao longo de todo o intervalo de temperatura e pressão empregues. A resistência a decomposição térmica do fluido de trabalho na presença de lubrificantes e materiais do recipiente é um critério muito importante. Além de fazer a substituição do trabalho decomposição necessário, químico fluido do fluido pode produzir gases não condensáveis ​​que reduzem a taxa de transferência de calor nos permutadores de calor, assim como a compostos, que têm efeitos corrosivos sobre os materiais do sistema.
  8. Não toxicidade, não flamabilidade, não explosivo , não radioactiveness e aceitabilidade industrial corrente também são atributos desejáveis.
  9. O líquido deve satisfazer os critérios de requisitos de protecção ambiental, tais como um potencial baixo grau destruição do ozono (ODP) e potencial de aquecimento global (GWP).
  10. O fluido deve possuir boas propriedades de lubrificação para reduzir o atrito entre as superfícies em contacto mútuo, o que reduz o calor gerado, quando as superfícies mover-se e, finalmente, aumenta o desempenho do ciclo.
  11. A substância deve ser de baixo custo e facilmente disponíveis em grandes quantidades.
  12. Longo prazo experiência (operacional) com a reciclagem fl uid fluido e possível trabalhar também é benéfico.

critérios especiais para motores de calor (como ciclo Rankine)

  1. A temperatura crítica do fluido deve ser bem acima da temperatura mais elevada existente no ciclo proposto. A evaporação do fluido de trabalho - e, portanto, a adição significativa de calor - pode então seguir-se, à temperatura máxima do ciclo. Isto resulta numa eficiência relativamente alta ciclo.
  2. A inclinação d s / d T da linha de vapor saturado em T - s diagrama (ver Capítulo Classificação da pura (de um único componente) fluidos de trabalho) deve ser quase zero na proporção da pressão aplicada do expansor. Isto evita que a humidade significativa (gota de líquido) formação ou sobreaquecimento excessivo que ocorre durante a expansão. Também assegura que toda a rejeição de calor no condensador ocorre à temperatura de ciclo mínimo, o que aumenta a eficiência térmica.
  3. Um valor baixo para o calor específico do líquido ou, alternativamente, uma baixa relação de número de átomos por molécula, dividido pelo peso molecular e uma elevada proporção do calor latente de vaporização ao calor específico do líquido deve pertencer. Isto reduz a quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do líquido sub-arrefecido do fluido de trabalho para a temperatura de saturação correspondente à pressão no evaporador do Ciclo Rankine. Assim, a maioria do calor é adicionado, à temperatura máxima de ciclo, e o ciclo de Rankine pode aproximar-se mais de perto do ciclo de Carnot.

critérios especiais para ciclos de refrigeração ou bombas de calor

  1. A inclinação d s / d T da linha de vapor saturado em T - s diagrama (ver Capítulo Classificação da pura (de um único componente) fluidos de trabalho) deve ser quase zero, mas nunca positivo em relação a pressão aplicada do compressor. Isto evita que a humidade significativa (gota de líquido) formação ou sobreaquecimento excessivo que ocorre durante a compressão. Compressores são muito sensíveis às gotículas de líquido.
  2. A pressão de saturação à temperatura de evaporação não deve ser mais baixa do que a pressão atmosférica. Isto corresponde, principalmente, para abrir-tipo compressores.
  3. A pressão de saturação à temperatura de condensação não deve ser alta.
  4. A proporção de condensação e evaporação de pressões devem ser baixos.

Classificação das puro (monocomponente) trabalhando fluidos

classificação tradicional

classificação tradicional de fluidos para o trabalho puros. 1 → 2 mostra expansões isentrópicas de estados de vapor saturado.

Categorização mais generalizada tradicional e presentemente de fluidos de trabalho puras foi pela primeira vez utilizado por H. Tabor et al. e O. Badr et ai. que remonta aos anos 60. Este sistema de classificação de três classes classifica fluidos de trabalho puras em três categorias. A base da classificação é a forma da curva de vapor saturado do fluido no plano de temperatura-entropia . Se a inclinação da curva de vapor saturado, em todos os estados é negativo (d s / d t <0), o que significa que com a diminuição da temperatura de saturação do valor de entropia aumenta, o fluido é chamado molhado. Se a inclinação da curva de vapor saturado do fluido é principalmente positivo (independentemente de um declive negativo curto um pouco abaixo do ponto crítico ), o que significa que, com a diminuição da temperatura de saturação do valor de entropia também diminui (d t / d s > 0) , o fluido é seco. A terceira categoria é chamado isentrópica , o que significa que a entropia constante e refere-se aqueles fluidos que têm uma curva de vapor saturado vertical (independentemente de um declive negativo curto um pouco abaixo do ponto crítico) no diagrama de temperatura-entropia. De acordo com a abordagem matemática, isso significa uma inclinação infinito (negativo) (d s / d t = 0). Os termos de molhado, seco e isentrópica referem-se a qualidade de vapor após o fluido de trabalho passa por um (isentrópica reversível adiabático ) processo de expansão de vapor saturado estado. Durante um processo de expansão isentrópica do fluido de trabalho sempre termina nas duas fases (também chamado molhado) zona, se for um fluido de tipo molhado. Se o fluido é do tipo seco, a expansão isentrópica termina necessariamente no sobreaquecido (também chamado seco) zona de vapor. Se o fluido de trabalho é de tipo isentrópica, depois de um processo de expansão isentrópica as estadias de fluido em estado de vapor saturado. A qualidade do vapor é um fator chave na escolha de turbina a vapor ou expansor para motores de calor. Veja a figura para melhor compreensão.

classificação Novel

classificação Novel de fluidos para o trabalho puros.

Classificação tradicional mostra várias deficiências teóricas e práticas. Um dos mais importante é o fato de que não existe fluido perfeitamente isentropic. Fluidos isentrópicas tem dois extremos (d s / d t = 0) na curva de vapor saturado. Na prática, existem alguns fluidos que são muito próximo a este comportamento ou, pelo menos, numa certa gama de temperaturas, por exemplo, triclorofluorometano (CCl 3 F). Outro problema é a medida de como seca ou isentrópico o fluido se comporta, que tem importância prática significativa ao projetar, por exemplo, um layout Ciclo Rankine orgânicos e escolhendo expansor adequado. Um novo tipo de classificação foi proposta por G. Györke et al. para resolver os problemas e deficiências do sistema de classificação de três classes tradicionais. A nova classificação baseia-se também na forma da curva de vapor saturado do fluido no diagrama de temperatura-entropia semelhante ao tradicional. A classificação usa um método baseado no ponto chacteristic para diferenciar os fluidos. O método define três primário e dois pontos característicos secundárias. A localização relativa destes pontos sobre a curva de saturação de temperatura-entropia define as categorias. Cada fluido puro tem pontos característicos principais A, C e Z:

Compatibilidade de classificação tradicional e novos de fluidos para o trabalho puros. A forma da curva de vapor saturado do fluido depende da específica isocórico (molar) de capacidade de calor (c v ) de que o estado através graus de liberdade (f) das moléculas.
  • Ponto A e Z primário são os pontos mais baixos de temperatura no líquido de saturação e a curva de vapor saturado, respectivamente. Esta temperatura pertence ao ponto de fusão , que praticamente igual ao ponto triplo do fluido. A escolha de A e Z refere-se ao primeiro e último ponto da curva de saturação visualmente.
  • Ponto C primária refere-se ao ponto crítico , o que é uma já bem definido de propriedades termodinâmicas dos fluidos.

Os dois pontos característicos secundárias, ou seja, M e N são definidos como extremos entropia local na curva de vapor saturado, com mais precisão, naqueles pontos, onde com a diminuição da temperatura de saturação entropia permanece constante: d s / d t = 0. Podemos facilmente compreender que, considerando a classificação tradicional, fluidos de tipo molhado têm fluídos do tipo seco única primárias (A, C e Z), têm pontos de primários e exatamente um ponto médio (M) e redefinido fluidos do tipo isentrópica têm tanto primária e secundária Os pontos (M e N), bem. Veja a figura para melhor compreensão.

A ordem crescente dos valores de entropia dos pontos característicos dá uma ferramenta útil para definir as categorias. O matematicamente possível número de ordenações são 3! (se não há pontos secundários), 4! (se único ponto M secundário existir) e 5! (se existir ambos os pontos secundários), o que faz com que seja 150. Há algumas limitações físicas, incluindo a existência de pontos secundárias diminuir o número de categorias possíveis a 8. As categorias são para ser chamado depois de a ordem crescente da entropia da sua característica pontos. Ou seja, as possíveis 8 categorias são ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM e ACNMZ. As categorias (também chamados sequências) podem ser equipados para a classificação de três classes tradicional, o que torna o sistema de classificação de dois compatível. Não há fluidos de trabalho foram encontrados, o que pode ser instalado em ACZM ou ACNZM categorias. Estudos teóricos confirmou que estas duas categorias não podem sequer existir. Com base no banco de dados de NIST , os provaram 6 sequências da novela classificação e a sua relação com o tradicional pode ser visto na figura.

fluidos de trabalho de componentes múltiplos

Embora fluidos de trabalho com múltiplos componentes têm vantagens significativas sobre termodinâmicas puro (componente único) queridos, pesquisa e aplicação manter o foco em fluidos de trabalho puros. No entanto, existem alguns exemplos típicos de tecnologias baseadas multicomponentes, tais como ciclo Kalina que utiliza água e amoníaco mistura, ou frigoríficos de absorção que também usam água e mistura de amoníaco para além de água, amoníaco e de hidrogénio , brometo de lítio ou cloreto de lítio misturas em maioria. Alguns trabalhos científicos lidar com a aplicação de fluidos de trabalho com múltiplos componentes em ciclos de Rankine orgânicos também. Estes são principalmente misturas binárias de hidrocarbonetos, fluorocarbonos, hidrofluorocarbonetos, siloxanos e substâncias inorgânicas.

Veja também

Referências

links externos