1
УДК 62-133.26, 621.11
Цикл Ренкина
с низкопотенциальным источником теплоты
© В.П. Леонов, В.А. Воронов, К.А. Апсит, А.В. Ципун
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Обоснован выбор органического цикла Ренкина для утилизации теплоты. Приведен
алгоритм расчета полезной работы в установках, где температура греющего ис-
точника составляет порядка 100
°
С и действительный КПД цикла равен пример-
но 7 %. Проведен анализ различных рабочих тел. Особое внимание уделено выбору
детандера. Рассмотрена возможность применения радиальных и осевых турбо-
машин, роторных, поршневые, пластинчатых и спиральных детандеров. Отдано
предпочтение спиральным детандерам, так как они обладают рядом преиму-
ществ, таких как отсутствие клапанов, возможность полного уравновешивания,
компактность, большой ресурс работы. Проанализировано несколько вариантов
применения цикла Ренкина, рассказано о перспективах дальнейших исследований.
Ключевые слова:
органический цикл Ренкина, цикл Ренкина, утилизация теплоты.
Постановка проблемы.
В наши дни все острее становится проблема
использования энергетических ресурсов, поскольку разрабатываемые ме-
сторождения нефти и газа исчерпываются, добыча ресурсов становится до-
роже. Стоимость электроэнергии до тех пор будет возрастать, пока не
найдены новые источники энергии. Вследствие увеличения стоимости
электроэнергии оказывается выгоднее найти возможность использования
сбрасываемой теплоты, которая выделяется во многих технологических
процессах. Эту теплоту можно применять для отопления, получения холода
(например, в абсорбционных холодильных машинах) либо механической
работы (например, в цикле Ренкина, Брайтона или Стирлинга).
Для утилизации теплоты предпочтительнее использовать цикл Ренкина.
Цикл Стирлинга требует больших капитальных затрат на изготовление вы-
сокотехнологичных компонентов машины, а для достижения максимально-
го КПД требуются высокое давление в цикле и дорогостоящие рабочие те-
ла, (гелий) или горючее (водород). Цикл Брайтона представляет собой газо-
вый цикл, в котором используется больший расход рабочего тела, чем в
цикле Ренкина. Объясняется это тем, что теплоемкость рабочего тела при
фазовых переходах гораздо выше, чем теплоемкость газа при обычном теп-
лообмене, а значит, при одном и том же уровне температуры количество
теплоты, подводимое к одному килограмму кипящего агента, будет значи-
тельно больше, что снизит расход. Кроме того, для сжатия рабочего тела в
цикле Брайтона необходим компрессор, а в цикле Ренкина — насос, кото-
рый является менее габаритной и металлоемкой конструкцией. Вместе с
уменьшенным расходом рабочего тела это позволяет достичь минимальных
размеров установки при цикле Ренкина, нежели цикле Брайтона.