Альтернативні робочі тіла та комбіновані цикли: сучасні тенденції в удосконаленні теплових схем енергетичних установок

Abstract

У статті розглянуто сучасні підходи до підвищення ефективності теплових схем енергетичних установок шляхом використання альтернативних робочих тіл та комбінованих циклів. Проаналізовано обмеження традиційних циклів Ренкіна та Брайтона, які досягли межі вдосконалення, та обґрунтовано необхідність впровадження нових технологій. Особливу увагу приділено органічному циклу Ренкіна (ORC), циклу Калини та надкритичному CO₂ (sCO₂), що забезпечують ефективне використання низько- та високотемпературних джерел теплоти. Показано, що застосування органічних рідин, водо-аміачних сумішей та надкритичних флюїдів дозволяє підвищити загальний ККД установок до 50 % – 60 %. Розглянуто комбіновані системи (газопарові, ORC+sCO₂), які мінімізують втрати тепла та забезпечують гнучкість конструкції. Окремо проаналізовано екологічні та економічні аспекти: зниження викидів CO₂, інтеграцію з відновлюваними джерелами, можливість участі у програмах «зеленого тарифу». Визначено перспективи розвитку: розширення застосування sCO₂-циклів, створення робочих тіл з низьким GWP, автоматизація комбінованих систем та удосконалення теплообмінних апаратів. У статті узагальнено сучасні розробки та тенденції, що формують основу високоефективних і екологічно безпечних енергетичних технологій майбутнього. The article reviews modern approaches to improving the efficiency of thermal schemes in power plants through the use of alternative work-ing fluids and combined cycles. The limitations of traditional Rankine and Brayton cycles, which have reached the limits of optimization, are analyzed, highlighting the need for new technologies. Special attention is given to the Organic Rankine Cycle (ORC), the Kalina cycle, and the supercritical CO₂ (sCO₂) cycle, which enable effective utilization of low- and high-temperature heat sources. It is shown that the application of organic fluids, ammonia-water mixtures, and supercritical media can increase the overall efficiency of installations up to 50–60%. Combined systems (gas-steam, ORC+sCO₂) are examined as solutions for minimizing heat losses and improving design flexibility. Environmental and economic aspects are also discussed, including CO₂ emission reduction, integration with renewable energy sources, and participation in green tariff programs. The paper outlines development prospects such as wider adoption of sCO₂ cycles, creation of low-GWP working fluids, automation of combined systems, and enhancement of heat exchangers. The study summarizes current developments and trends shaping the foundation of high-efficiency and environmentally friendly energy technologies for the future.