Русская версия English version
Главная / 2026 г. выпуск 1 / Выбор рабочих тел для органического цикла Ренкина на примере производства азотной кислоты

Выбор рабочих тел для органического цикла Ренкина на примере производства азотной кислоты

Е.А. Шелгинский, Ю.В. Яворовский, А.Я. Шелгинский

Вестник ИГЭУ, 2026 г. выпуск 1, сс. 30—39

Скачать PDF

Аннотация на русском языке: 

Состояние вопроса. Одним из способов утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов в промышленности являются установки, работающие по органическому циклу Ренкина, в которых используются низкокипящие органические вещества. Органический цикл Ренкина находит применение как в промышленности, так и в возобновляемой энергетике. Производство же слабой азотной кислоты осуществляется по методу Оствальда. В Российской Федерации производство слабой азотной кислоты осуществляется на двух основных агрегатах: АК-72 (АК-72М) и УКЛ-7 (УКЛ-7М). Оба агрегата спроектированы во второй половине ХХ века в СССР и имеют значительные недостатки, связанные с выбросами низкопотенциальной и среднепотенциальной тепловой энергии в окружающую среду. В связи с этим одной из актуальных задач является поиск способов повышения энергетической эффективности в производстве азотной кислоты, особенно с учетом наблюдающегося постоянного роста цен на топливные ресурсы и электроэнергию.

Материалы и методы. Анализ энергоэффективности агрегата УКЛ-7 произведен с использованием уравнений теплового баланса и коэффициента полезного использования тепловой энергии. Теплоту сжатого воздуха в агрегате УКЛ-7 производства слабой азотной кислоты предлагается утилизировать посредством органического цикла Ренкина.

Результаты. Предложена методика выбора подходящего низкокипящего рабочего тела с определением давлений, температур и pinch-точки (минимальной разницы температур при теплообмене в теплообменниках органического цикла Ренкина), соответствующих максимальной полезной эффективной мощности органического цикла Ренкина. Получены термодинамические параметры (давление, температура, термический и эффективный КПД) органического цикла Ренкина для двенадцати низкокипящих рабочих тел. Определено рабочее тело, при котором цикл имеет наибольшее значение эффективной мощности. Проведен отбор рабочих тел по экологическим характеристикам и указаны подходящие низкокипящие рабочие тела. Определена эффективность агрегата УКЛ-7 для каждого из рабочих тел при использовании органического цикла Ренкина.

Выводы. Предложенная методика, основанная на термодинамическом анализе энергоэффективности, позволяет выбрать подходящее низкокипящее рабочее тело из рассмотренных веществ при утилизации теплоты сжатого воздуха для органического цикла Ренкина в производстве слабой азотной кислоты в агрегате УКЛ-7 по предложенной тепловой схеме.

Список литературы на русском языке: 
  1. Alkotami A. Thermodynamic Performance Analysis and Design of an Organic Rankine Cycle (ORC) Driven by Solar Energy for Power Generation // Sustainability. – 2025. – Vol. 17, issue 13. – P. 5742. https:// doi.org/10.3390/su17135742
  2. Thermodynamic, economic, and environmental evaluation of internal combustion engine exhaust gas-driven Organic Rankine cycles for power generation and desalination / Mohammad Waqas Chandio, Laveet Kumar, Abdul Ghafoor Memon, Mohamed M. Awad // International Journal of Thermofluids, – 2025. – Vol. 25. – P. 101046. https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.101046
  3. Das Mainak, Reddy K.S. Modelling and optimization of combined supercritical carbon dioxide Brayton cycle and organic Rankine cycle for electricity and hydrogen production // Applied Energy. – 2025, – Vol. 377, Part C. – P. 124586. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.12458.
  4. Thermodynamic analysis of a cascade organic Rankine cycle power generation system driven by hybrid geothermal energy and liquefied natural gas / Z. Pan, Y. Fu, H. Chen, Y. Song // Front. Energy Res. – 2024. – Vol. 12. – P. 1474714. DOI: 10.3389/fenrg.2024.1474714.
  5. Optimization and exergy analysis of a cascade organic Rankine cycle integrated with liquefied natural gas regasification process / M. Fakharzadeh, N. Tahouni, M. Abbasi, M.H. Panjeshahi // International Journal of Refrigeration. – 2023. – Vol. 156. – P. 186–197. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2023.10.004.
  6. Bellos E. A review of organic Rankine cycles with partial evaporation and dual-phase expansion // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2024. – Vol. 72. – P. 104059. https://doi.org/10.1016/j.seta.2024.104059.
  7. Experimental assessment of an Organic Rankine Cycle with a partially evaporated working fluid / F. Dawo, J. Buhr, Ch. Schifflechner, et al. // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 221. – P. 119858. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119858.
  8. Разработка комплексной энергетической установки с рекуперацией теплоты уходящих газов / Б. Бу Дакка, И.А. Султангузин, Ю.В. Яворовский, С.Ю. Курзанов // Вестник МЭИ. – 2025. – № 1. – С. 100–109. DOI: 10.24160/1993-6982-2025-1-100-109.
  9. Matuszewska D. Economic Analysis of Gas Turbine Using to Increase Efficiency of the Organic Rankine Cycle // Sustainability. – 2024. – Vol. 16. – P. 75. https://doi.org/10.3390/ su16010075
  10. Comparative study of two novel composition adjustable organic Rankine cycle-vapor compression refrigeration systems / X. Xia, H. Zhang, Z. Wang, et al. // Thermal Science and Engineering Progress. – 2025. – Vol. 57. – Р. 103179. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.103179.
  11. Witanowski, Ł. Optimization of an Organic Rankine Cycle–Vapor Compression Cycle System for Electricity and Cooling Production from Low-Grade Waste Heat // Energies. – 2024. – Vol. 17. – P. 5566. https://doi.org/10.3390/en17225566.
  12. Gonidaki D., Bellos E., Kaldellis J.K. Design and Dynamic Simulation of a Solar-Driven Organic Rankine Cycle with Zeotropic Mixture. Sol. // Energy. – 2025. – Vol. 301. – P. 113948.
  13. Performance and economic analyses of organic rankine cycle integrated with parabolic trough solar collector using multiple dry working fluids / M.S. Arif, L. Kumar, M.W. Chandio, et al. // Environ Prog Sustainable Energy. – 2025. – Vol. 44(6). – P. e70079. DOI:10.1002/ep.70079
  14. Shalby M., Marachli A., Salah A. Working fluid selection and performance analysis for subcritical organic Rankine cycles // Results in Engineering, – 2025. – Vol. 25. – P. 104120. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.104120.
  15. Operational flexibility-oriented selection of working fluid for organic Rankine cycles via Bayesian optimization / J. Wang, Y. Zhang, C. Mei, L. Zhu // Computers & Chemical Engineering. – 2025. – Vol. 197. – P. 109043. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2025.109043.
  16. Bellos E. A detailed analysis of waste heat recovery organic Rankine cycle with partial evaporation and different working fluids // Applied Thermal Engineering. – 2025. – Vol. 263. – P. 125410. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.125410.
  17. Study and application of the shift-temperature of heating fluid for zeotropic mixtures in organic Rankine cycle / S. Bu, X. Yang, W. Li, et al.  // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2023. – Vol. 145, Part A. – P. 106808. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106808.
  18. Mohan S., Dinesha P., Campana Pietro Elia. ANN-PSO aided selection of hydrocarbons as working fluid for low-temperature organic Rankine cycle and thermodynamic evaluation of optimal working fluid // Energy. – 2022. – Vol. 259. – P. 124968. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124968.
  19. Javed S., Tiwari A.K. Performance analysis of zeotropic mixture as a working fluid for medium temperature in regenerative Organic Rankine cycle // Process Safety and Environmental Protection. –  2023. – Vol. 179. – P. 864–872. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.09.043.
  20. Parametric analysis and thermal-economical optimization of a parallel dual pressure evaporation and two stage regenerative organic Rankine cycle using mixture working fluids / Yongqiang Feng, Yu Wang, Lin Yao, et al. // Energy. – 2023. – Vol. 263, Part A. – P. 125670. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125670.
  21. Development of selection criteria of zeotropic mixtures as working fluids for the trans-critical organic Rankine cycle / Z. Miao, Z. Wang, P. Sabev Varbanov, et al. // Energy. – 2023. – Vol. 278, Part A. – P. 127811. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127811.
  22. On the CAMD method based on PC-SAFT for working fluid design of a high-temperature organic Rankine cycle / E. Wang, J. Mao, B. Zhang, Y. Wang // Energy. – 2023. – Vol. 263, Part D. – P. 125935. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125935.
  23. Working fluid and system optimisation of organic Rankine cycles via computer-aided molecular design: A review / C.N. Markides, A. Bardow, M. De Paepe, et al. // Progress in Energy and Combustion Science. – 2025. – Vol. 107. – P. 101201. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101201
  24. Овсянник А.В., Ключинский В.П. Выбор, расчет и термодинамический анализ турбоустановок на органическом цикле Ренкина // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2022. – Т. 65, № 1. – С. 76–88. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-76-88.
  25. Bekiloğlu H.E., Bedir H., Anlaş G. Optimal selection of Organic Rankine cycle working fluids and geometric parameters of Condensers // Applied Thermal Engineering. – 2025. – Vol. 280, Part 2. – P. 128242. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128242.
  26. Маленков А.С. Разработка перспективной системы теплохладоснабжения на основе абсорбционных трансформаторов теплоты: дис. … канд. техн. наук: 05.14.04. – М., 2018. – 188 с.
Ключевые слова на русском языке: 
вторичные энергетические ресурсы, органический цикл Ренкина, слабая азотная кислота, низкокипящее рабочее тело
Ключевые слова на английском языке: 
secondary energy resources, organic Rankine cycle, weak nitric acid, low-boiling working fluid
Индекс DOI: 
10.17588/2072-2672.2026.1.030-039
Количество скачиваний: 
6