اختيار سائل التشغيل

1. يجب ألا يكون ضغط التشبع عند أعلى درجة حرارة للدورة مفرطًا. فالضغوط العالية جدًا تؤدي إلى مشاكل إجهاد ميكانيكي، وبالتالي قد يتطلب الأمر مكونات باهظة الثمن بلا داعٍ.
2. يجب ألا يكون ضغط التشبع عند أدنى درجة حرارة للدورة (أي ضغط التكثيف) منخفضًا جدًا لدرجة تؤدي إلى مشاكل في منع تسرب الهواء الجوي إلى النظام.
3. يجب أن تكون النقطة الثلاثية أقل من الحد الأدنى المتوقع لدرجة الحرارة المحيطة. وهذا يضمن عدم تجمد السائل في أي مرحلة من مراحل الدورة أو أثناء التعامل معه خارج النظام.
4. يجب أن يتميز سائل التشغيل بلزوجة منخفضة، وحرارة تبخر كامنة عالية، وموصلية حرارية عالية ، وقدرة جيدة على التبلل. تضمن هذه الخصائص انخفاضًا طفيفًا في ضغط سائل التشغيل أثناء مروره عبر المبادلات الحرارية والأنابيب المساعدة، وارتفاعًا في معدلات انتقال الحرارة داخل المبادلات.
5. يجب أن يتميز سائل التشغيل بانخفاض الحجم النوعي للبخار والسائل. تؤثر هذه الخصائص على معدلات انتقال الحرارة في المبادلات الحرارية. يرتبط الحجم النوعي للبخار ارتباطًا مباشرًا بحجم وتكلفة مكونات الدورة. علاوة على ذلك، يؤدي ارتفاع الحجم النوعي للبخار إلى تدفقات حجمية أكبر، مما يتطلب وجود منافذ عادم متعددة للموسع في المحركات الحرارية أو الضاغط في دورات التبريد، وينتج عنه فقدان كبير في الضغط. يجب أن يكون الحجم النوعي للسائل عند ضغط المكثف أصغر ما يمكن لتقليل العمل المطلوب لمضخة مياه التغذية .
6. تُعد مقاومة التآكل والتوافق مع مواد النظام الشائعة من معايير الاختيار المهمة.
7. يجب أن يكون السائل مستقرًا كيميائيًا ضمن نطاق درجات الحرارة والضغط المستخدم. وتُعد مقاومة التحلل الحراري لسائل التشغيل في وجود مواد التشحيم ومواد الحاويات معيارًا بالغ الأهمية. فبالإضافة إلى ضرورة استبدال سائل التشغيل، قد يُنتج التحلل الكيميائي للسائل غازات غير قابلة للتكثيف تُقلل من معدل انتقال الحرارة في المبادلات الحرارية، فضلًا عن مركبات تُسبب تآكل مواد النظام.
8. كما أن عدم السمية، وعدم القابلية للاشتعال، وعدم الانفجار ، وعدم الإشعاع ، والقبول الصناعي الحالي هي سمات مرغوبة أيضاً.
9. يجب أن يستوفي السائل معايير متطلبات حماية البيئة مثل انخفاض مستوى إمكانية استنفاد الأوزون (ODP) وإمكانية الاحترار العالمي (GWP).
10. يجب أن يتمتع السائل بخصائص تزييت جيدة لتقليل الاحتكاك بين الأسطح المتلامسة، مما يقلل من الحرارة المتولدة عند تحرك الأسطح ويزيد في النهاية من أداء الدورة.
11. ينبغي أن تكون المادة منخفضة التكلفة ومتوفرة بسهولة بكميات كبيرة.
12. كما أن الخبرة التشغيلية طويلة الأمد مع سائل التشغيل وإمكانية إعادة تدوير السائل مفيدة أيضاً.

1. ينبغي أن تكون درجة الحرارة الحرجة للسائل أعلى بكثير من أعلى درجة حرارة موجودة في الدورة المقترحة. عندئذٍ، يمكن أن يبدأ تبخر سائل التشغيل - وبالتالي إضافة كمية كبيرة من الحرارة - عند أعلى درجة حرارة في الدورة. ينتج عن ذلك كفاءة عالية نسبياً للدورة.
2. يجب أن يكون ميل خط البخار المشبع ( ds /dT ) في مخطط T - s (انظر فصل تصنيف الموائع العاملة النقية (أحادية المكون)) قريبًا من الصفر عند نسبة الضغط المطبقة على الموسع. يمنع هذا تكوّن كميات كبيرة من الرطوبة (قطرات السائل) أو حدوث تسخين زائد أثناء التمدد. كما يضمن أن يتم طرد الحرارة بالكامل في المكثف عند أدنى درجة حرارة للدورة، مما يزيد من الكفاءة الحرارية.
3. يُفضّل أن تكون قيمة الحرارة النوعية للسائل منخفضة، أو بدلاً من ذلك، أن تكون نسبة عدد الذرات في الجزيء إلى وزنه الجزيئي منخفضة، وأن تكون نسبة الحرارة الكامنة للتبخر إلى الحرارة النوعية للسائل عالية. هذا يُقلل من كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة السائل المُبرّد إلى درجة حرارة التشبع المُناسبة للضغط في مُبخر دورة رانكين. وبالتالي، تُضاف مُعظم الحرارة عند أقصى درجة حرارة للدورة، مما يُتيح لدورة رانكين الاقتراب أكثر من دورة كارنو .

1. يجب أن يكون ميل خط البخار المشبع ( ds /dT ) في مخطط T - s (انظر فصل تصنيف الموائع العاملة النقية (أحادية المكون)) قريبًا من الصفر، ولكن لا ينبغي أن يكون موجبًا أبدًا في نسبة الضغط المطبقة على الضاغط. يمنع هذا تكوّن كميات كبيرة من الرطوبة (قطرات سائلة) أو حدوث تسخين زائد أثناء الضغط. تُعد الضواغط حساسة للغاية للقطرات السائلة.
2. يجب ألا يقل ضغط التشبع عند درجة حرارة التبخر عن الضغط الجوي. وينطبق هذا بشكل أساسي على الضواغط المفتوحة.
3. يجب ألا يكون ضغط التشبع عند درجة حرارة التكثيف مرتفعًا.
4. ينبغي أن تكون نسبة ضغط التكثيف إلى ضغط التبخر منخفضة.

استُخدم التصنيف التقليدي والأكثر شيوعًا حاليًا لسوائل التشغيل النقية لأول مرة من قِبل هـ. تابور وآخرون ^{[ 4 ]} و أ. بدر وآخرون ^{[ 3 ]} في ستينيات القرن الماضي. يصنف هذا النظام الثلاثي سوائل التشغيل النقية إلى ثلاث فئات. يعتمد التصنيف على شكل منحنى بخار التشبع للسائل في مستوى درجة الحرارة-الإنتروبيا . إذا كان ميل منحنى بخار التشبع سالبًا في جميع الحالات (ds / dT < 0)، أي أن قيمة الإنتروبيا تزداد مع انخفاض درجة حرارة التشبع ، يُسمى السائل رطبًا. أما إذا كان ميل منحنى بخار التشبع موجبًا في الغالب (بغض النظر عن ميل سالب قصير أسفل النقطة الحرجة بقليل )، أي أن قيمة الإنتروبيا تنخفض أيضًا مع انخفاض درجة حرارة التشبع (dT / ds > 0)، يُسمى السائل جافًا. يُطلق على الفئة الثالثة اسم "متساوية الإنتروبيا"، أي ذات إنتروبيا ثابتة، وتشير إلى الموائع التي لها منحنى بخار تشبع رأسي (بغض النظر عن وجود ميل سالب قصير أسفل النقطة الحرجة) في مخطط درجة الحرارة-الإنتروبيا. ووفقًا للمنهج الرياضي، يعني ذلك ميلًا سالبًا لانهائيًا (ds / dT = 0). تشير مصطلحات "رطب" و"جاف" و"متساوي الإنتروبيا" إلى جودة البخار بعد أن يخضع المائع العامل لعملية تمدد متساوية الإنتروبيا ( عاكسة حراريًا ) من حالة البخار المشبع . خلال عملية التمدد متساوية الإنتروبيا، ينتهي المائع العامل دائمًا في منطقة الطورين (وتسمى أيضًا المنطقة الرطبة)، إذا كان من النوع الرطب. أما إذا كان من النوع الجاف، فإن التمدد متساوي الإنتروبيا ينتهي بالضرورة في منطقة البخار المحمص (وتسمى أيضًا منطقة البخار الجاف). إذا كان المائع العامل من النوع متساوي الإنتروبيا، فإنه يبقى في حالة البخار المشبع بعد عملية التمدد متساوية الإنتروبيا. تُعدّ جودة البخار عاملاً أساسياً في اختيار التوربينات البخارية أو الموسعات المستخدمة في المحركات الحرارية. انظر الشكل لمزيد من التوضيح.

يُظهر التصنيف التقليدي العديد من أوجه القصور النظرية والعملية. من أهمها عدم وجود سائل متساوي الإنتروبيا تمامًا. ^{[ 6 ] [ 7 ]} تتميز السوائل متساوية الإنتروبيا بوجود نقطتين أقصى (ds / dT = 0) على منحنى بخار التشبع. عمليًا، توجد بعض السوائل التي تقترب جدًا من هذا السلوك، أو على الأقل ضمن نطاق درجة حرارة معين، مثل ثلاثي كلورو فلورو الميثان (CCl3F ₎ . تكمن مشكلة أخرى في مدى جفاف أو تساوي الإنتروبيا في سلوك السائل، وهو أمر ذو أهمية عملية كبيرة عند تصميم، على سبيل المثال، مخطط دورة رانكين العضوية واختيار الموسع المناسب. اقترح جي. جيوركي وآخرون ^{[ 5 ]} نوعًا جديدًا من التصنيف لحل مشاكل ونقائص نظام التصنيف التقليدي ثلاثي الفئات. يعتمد التصنيف الجديد أيضًا على شكل منحنى بخار التشبع للسائل في مخطط درجة الحرارة-الإنتروبيا، على غرار التصنيف التقليدي. يستخدم هذا التصنيف طريقة تعتمد على النقاط المميزة لتمييز السوائل. تحدد هذه الطريقة ثلاث نقاط مميزة أساسية ونقطتين مميزتين ثانويتين. ويُحدد الموقع النسبي لهذه النقاط على منحنى تشبع درجة الحرارة والإنتروبيا الفئات. لكل سائل نقي نقاط مميزة أساسية A و C و Z:

• تمثل النقطتان الأساسيتان A و Z أدنى درجات الحرارة على منحنى تشبع السائل ومنحنى تشبع البخار على التوالي. تقع هذه الدرجة ضمن نطاق درجة الانصهار ، والتي تُعادل عمليًا النقطة الثلاثية للسائل. ويُشير اختيار A و Z إلى النقطتين الأولى والأخيرة على منحنى التشبع بصريًا.
• تشير النقطة الأساسية C إلى النقطة الحرجة ، وهي خاصية ديناميكية حرارية محددة جيدًا للسوائل.

تُعرَّف النقطتان الثانويتان المميزتان، M وN، بأنهما قيمتان متطرفتان محليتان للإنتروبيا على منحنى بخار التشبع، وبشكل أدق، عند هاتين النقطتين اللتين تبقى فيهما الإنتروبيا ثابتة مع انخفاض درجة حرارة التشبع: ds / dT = 0. ويمكننا بسهولة ملاحظة أنه وفقًا للتصنيف التقليدي، فإن السوائل الرطبة لها نقاط أولية فقط (A وC وZ)، بينما السوائل الجافة لها نقاط أولية ونقطة ثانوية واحدة فقط (M)، أما السوائل متساوية الإنتروبيا المعاد تعريفها فلها نقاط أولية وثانوية (M وN) أيضًا. انظر الشكل لمزيد من التوضيح.

يُتيح الترتيب التصاعدي لقيم الإنتروبيا للنقاط المميزة أداةً مفيدةً لتحديد الفئات. يبلغ عدد الترتيبات الممكنة رياضيًا 3! (في حال عدم وجود نقاط ثانوية)، و4! (في حال وجود النقطة الثانوية M فقط)، و5! (في حال وجود كلتا النقطتين الثانويتين)، أي 150. تُقلل بعض القيود الفيزيائية، بما في ذلك وجود النقاط الثانوية، عدد الفئات الممكنة إلى 8. تُسمى الفئات وفقًا للترتيب التصاعدي لإنتروبيا نقاطها المميزة. الفئات الثماني الممكنة هي: ACZ، ACZM، AZCM، ANZCM، ANCZM، ANCMZ، ACNZM، وACNMZ. يمكن دمج هذه الفئات (التي تُسمى أيضًا متواليات) في التصنيف الثلاثي التقليدي، مما يجعل نظامي التصنيف متوافقين. لم يتم العثور على أي سوائل عاملة يمكن تصنيفها ضمن فئتي ACZM أو ACNZM. وقد أكدت الدراسات النظرية ^{[ 6 ] و[ 7 ]} أن هاتين الفئتين قد لا تكونان موجودتين أصلًا. استنادًا إلى قاعدة بيانات NIST ، ^{[ 8 ]} يمكن رؤية التسلسلات الستة المثبتة للتصنيف الجديد وعلاقتها بالتصنيف التقليدي في الشكل.