Что такое бинарный цикл

Лекция 9. Циклы паросиловых установок. Бинарные циклы

ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК. БИНАРНЫЕ ЦИКЛЫ.

1-2 – процесс адиабатического расширения пара в паровой турбине (3),

рис. 9.1. (Схема паросиловой установки: 1- парогенератор, 2 – пароперегреватель, паросиловая машина (турбина), 4 – электрогенератор ( м. б. компрессор, винтолопастной аппарат), 5 – кондесатор, 6 – питательный насос, 7 – циркуляционный насос).

Рис. 9.2. Циклы Карно и Ренкина на Ts— диаграмме в области влажного пара.

Обратимый цикл Ренкина в области насыщенного влажного пара представлен на Т – s – диаграмме на рис. 9.2., где

3’ – 4 – процесс изобарного подвода теплоты к воде в парогенераторе (1), до температуры насыщения ts при заданном давлении.

4 – 1 – процесс изотермического подвода теплоты, перегрев влажного пара до состояния сухого насыщенного пара и в парогенераторе (1).

При низких давлениях до 3 МРа линии изобар практически совпадают с области воды с нижней пограничной кривой. Это позволяет рассматривать нагрев воды упрощенно, как если бы он проходил мимо нижней пограничной кривой.

На рис. 9.4. представлен процесс расширения пара на h—s – диаграмме.

Количество подведенной теплоты пару в парогенераторе:

v – удельный объем воды на входе в питательный насос, m3/kg

ηpoi – к. п.д. питательного насоса

Количество отведенной в конденсаторе от цикла теплоты ( в зависимости от того, является ли процесс расширения в турбине обратимым или необратимым) :

q2 = h2 –h3 или q2 = h*2 – h3, kJ/kg (9.2)

Работа, совершаемая в турбине :

lt = (h1 – h2) ·ηToi (9.3)

Работа, совершаемая питательным насосом:

Работа, совершаемая в цикле Ренкина :

Термический к. п.д. цикла Ренкина:

Внутренний относительный к. п.д. паросиловой установки:

а также внутренний к. п.д. паросиловой установки

Электрический к. п.д. паросиловой установки:

ηel = ηk ·ηa ·ηt ·ηoi ·ηm ·ηG (9.9)

Эффективный удельный расход пара в паросиловой установке de, kg/kWh:

а также эффективный удельный расход тепла qe, kJ/ kWh:

Удельный расход топлива на работу паросиловой установки be, kg/kWh:

где Qri – нижняя теплотворная способность товарного топлива, kJ/ kg.

Часовой расход топлива в kg/h:

где Pel – мощность электрогенератора на клеммах (на выходе, без внутренних потерь) kW.

Цикл Ренкина – также основной цикл паросиловых установок, работающих на ядерном топливе, принципиальная схема которых приведена на рис. 9.5, где

3 – паровая турбина

6 – питательный насос

На рисунке 9.6 приведена принципиальная схема паросиловой установки с промежуточным перегревом пара, где:

1 – парогенератор, 2 – пароперегреватель, 3 – промежуточный пароперегреватель,

4 – цилинр высокого давления турбины (ЦВД), 5 – цилиндр низкого давления турбины (ЦНД), 6 – электрогенератор, 7 – конденсатор, 8 – питательный насос

Рис. 9.7. Процессы промежуточного перегрева пара и расширения на hs – диаграмме.

Теплота, подводимая в цикле с процессом промежуточного перегрева пара kJ/ kg:

где q’1 – количество теплоты, необходимое для выработки перегретого пара и рассчитывается по формуле (9.1):

Δq1 = h1 – h2 = (1 – ηKoi ) · hKa (9.15)

Термический к. п.д. цикла с пром. перегревом пара:

Количество теплоты отведенной из цикла с пром. перегревом пара рассчитывается по формуле (9.2) q’2 = h’2 – h3

Эффективность совместного производства электроэнергии и тепла характеризуется тепловым к. п.д. К:

Удельное количество промежуточного пара, которое подается в регенераторы рассчитывают из уравнения теплового баланса регенератора.

Удельное количество промпара αj в тепловой схеме с поверхностными регенераторами (см. рис. 9.8) в общем случае рассчитывается

Рис. 9.8 Схема паросиловой установки с регенеративным подогревом питательной воды:

3 – паросиловая машина (турбина)

6 – питательный насос

Рис. 9.9 Теоретический процесс расширения пара на h—s –диаграмме.

Теоретически в регенераторе воду можно подогреть до температуры насыщения пара при заданном давлении, т. е. h´´I = h´I, h´´II = h´II и т. д.. В таком случае энтальпия воды, подаваемой в котельный агрегат htv = h´´I.

Работа, совершаемая паром в турбине в цикле с регенерацией, кJ/kg :

Количество теплоты, подводимое в цикл кJ/kg :

Термический к. п.д. цикла с регенерацией :

Теплота, отводимая с охлаждающей водой из цикла в конденсаторе в случае каскадного подключения поверхностных регенераторов:

подключения поверхностных регенераторов кJ/kg :

Рис.9.10 Схема паросиловой установки бинарного цикла.

Рис. 9.11 – бинарный цикл на Т-s – диаграмме

Массовое соотношение ртути и воды :

Удельная работа ртутного пара в бинарном цикле кJ/kg:

и удельная работа водяного пара в бинарном цикле кJ/kg:

Количество теплоты, подведенное в бинарном цикле на 1 кг водяного пара кJ/kg :

Термический к. п.д. бинарного цикла, без учета работы, затраченной питательным насосом:

Мощность турбины ртутного пара в kW :

и мощность турбины водяного пара в kW:

Мощность паросиловой установки с бинарным циклом в kW:

Pb = Pü + Pa = Dü · (lü + la/m) (9.30)

В последнее время в мировой практике получили распространение газо-паровые комбинированные паросиловые установки. Используются различные схемы цикла.

Рис.9.12. Схема комбинированной газо-паровой силовой установки, где:

Работа газовой турбины в комбинированной паросиловой установке, кJ/kg :

Работа, затрачиваемая на компримирование воздуха в компрессоре кJ/kg :

Количество теплоты, подводимое в газовый цикл для сжигания топлива кJ/kg :

Количество теплоты, подводимое к воде и пару в парогенераторе от газов горения кJ/kg :

а работу, затрачиваемую питательным насосом – по формуле (9.4) lp ≈ v· (p1 – p2) /ηpoi

Соотношение количества газа и водяного пара в комбинированной паросиловой установке

Термический к. п.д. цикла комбинированной силовой установки:

Теоретический удельный расход топлива в комбинированной газо-паросиловой установке, kg/kWh:

beo = 3600/ Qri·ηkt (9.37)

На рис. 9.14. Схема комбинированной MГД – силовой установки, где

7 – конденсатор, 8 – питательный насос, 9 – электрогенератор

Теоретическая работа расширения газа в МГД – генераторе (электрическая работа). кJ/kg :

Работа, затрачиваемая на компримирование газа, кJ/kg :

Работу, совершаемую в турбине паром lt и работу, затрачиваемую питательным насосом lp рассчитывают соответственно по формулам (9.3) и (9.4)

Количество теплоты, подводимое в цикле в камеру сгорания, кJ/kg :

Соотношение циркулирующего газа и воды в МГД – установке кг газа /кг пара:

где и соответственно энтальпия газа на входе и выходе парогенератора кJ/kg (рис.9.14).

Термический к. п.д. бинарного цикла МГД – установки:

3.7 МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В 1970-ые и 1980-ые годы в мире (наиболее интенсивно в США и в Советском Союзе) исследовались и испытывались возможности непосредственного преобразования энергии, возникающей при сгорании топлива, в электрическую энергию при помощи магнитогидродинамических (МГД-) генераторов, основанных на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в ионизированном газовом потоке, когда этот поток проходит через сильное постоянное магнитное поле. Принцип устройства и работы такой преобразовательной установки представлен на рис. 3.7.1.

Давление (например, 0,3 MPa) и высокая температура (например, 3000 oC) на выходе камеры сгорания создают поток высокотемпературного газа, протекающего с большой скоростью (до 1000 m/s) в сильном магнитном поле, создаваемом ферромагнитной системой (до 2 T) или сверхпроводящими катушками (до 8 T). В таких условиях в газовом потоке может индуцироваться ЭДС, приблизительно до 20 kV. Так как скорость и температура газа на выходе газового канала еще весьма высоки, то кпд магнитогидродинамического генератора, изображенного на рис. 3.7.1, относительно мал (10…15 %). Чтобы использовать энергию отходящего газа, можно отапливать им парогенератор и направлять получаемый пар в паровую турбину (рис. 3.7.2). Кпд такой комбинированной системы, в которой доля МГД-генератора в генерировании электроэнергии составляет 40…50 %, а доля блока турбина-генератор – 60…50 %, может достигать приблизительно 60 %. Еще более высокий кпд может достигаться при комбинированной выработке электроэнергии и тепла.

Рис. 3.7.1. Принцип устройства и работы магнитогидродинамического генератора. 1 компрессор воздуха или кислорода, 2 электрическое или другое устройство предварительного подогрева, 3 насос для впрыскивания топлива (в случае газового топлива – компрессор), 4 устройство для ввода ионизатора (например, калия), 5 камера сгорания, 6 газовый канал, находящийся между полюсами электромагнита, 7 электроды. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка, над рисунком находится северный полюс. Стрелками между электродами показано направление ЭДС

Рис. 3.7.2. Принципиальная схема энергоблока, состоящего из магнитогидродинамического генератора, парового котла и паровой турбины. 1 магнитогидродинамический генератор, 2 инвертор, 3 паровой котел, 4 паровая турбина, 5 электромашинный генератор, 6 конденсатор,
7 водяной бак, 8 питательный насос парового котла, 9 фильтр для улавливания ионизатора

Основными преимуществами МГД-генераторов следует считать их компактность и быстрый запуск (2…5 s), благодаря чему их предполагалось использовать, в основном, в качестве резервных агрегатов электростанций. Они строились в свое время до мощности 25 MW, но срок службы их конструктивных элементов, соприкасающихся с горячими газами, (внутренней обкладки газового канала, электродов и др.) оказался слишком коротким (не более 1000 h). Их недостатками являются также

§ дороговизна сверхтеплостойких материалов, необходимых, в частности, для покрытия внутренней поверхности газового канала, (окисей иттрия или циркония),

§ дороговизна магнитных систем со сверхпроводящими обмотками,

§ слишком малые показатели надежности МГД-генератора в целом.

По всем этим причинам от работ по дальнейшему развитию МГД-генераторов, основанных на сжигании топлива, отказались. Изготовлялись и генераторы, основанные на применении жидких металлов (например, натрия; соответствующие исследовательские и конструкторские работы проводились и в институте теплотехники Таллиннского технического университета), но и они не создали конкуренции другим генераторам электроэнергии.

Идею магнитогидродинамического генератора впервые высказал Майкл Фарадей (Michael Faraday), который в 1832 году утверждал даже, что между берегами реки Темзы (Thames), протекающей в магнитном поле Земли, должна возникать эдс. Измерить этот эффект ему, однако, не удалось, что вполне объясняется слишком малой чувствительностью электроизмерительных приборов того времени, так как вышеназванная эдс составляет всего около 30 mV. В 1959 году в США был изготовлен первый опытный МГД-генератор мощностью 10 kW, способный работать в течение 10 секунд. Первый такой генератор, установленный на электростанции (30 kW), был создан в 1967 в Москве, и в 1976 году начались совместные исследования СССР и США по разработке мощных МГД-генераторов. В результате этих работ предполагалось установить на Рязанской теплоэлектростанции энергоблок, состоящий из четырех МГД-генераторов общей мощностью 270 MW и из паротурбинного блока с генератором мощностью в 310 MW. Паротурбинная часть этого блока была построена, но МГД-часть из-за прекращения исследований осталась нереализованной.

Источник

Бинарный цикл

Как отмечалось выше, термический КПД паросиловых установок очень низкий, в связи с чем большое количество тепловой энергии может сбрасы­ваться в окружающую среду, вызывая ряд экологических проблем, обуслов­ленных повышением температуры этой среды. Повысить КПД паросиловой установки можно путем повышения температуры пара перед турбиной (после пароперегревателя). Однако для паросиловых установок, работа­ющих на водяном паре, существует ограничение по давлению, которое не должно превышать 30 МПа, Это ограничение в первую очередь связано с прочностью современных материалов, применяемых для изготовления паросиловых установок. Ограничение верхнего предела давления пара в паросиловом цикле не позволяет увеличить температуру пара более 600° С. Нижняя температура рабочего тела в цикле Ренкина составляет 15… 30°С.

Сравнивая циклы паросиловых установок с циклами ДВС, убеждаемся, что в последних температура рабочего тела может достигать 1000° С, не вызывая существенных проблем прочности материалов, из которых они изготовлены. В ДВС средняя температура рабочего тела в процессе подвода тепловой энергии больше, чем в цикле паросиловой установке. Вместе с тем нижний предел температуры достигает 350…450°С при расширении продуктов сгорания топлива до атмосферного давления.

Так как температура отработавших в ДВС газов относительно большая, то это подтолкнуло инженеров к объединению этих двух циклов, газового и паросилового, в единой энергетической установке, называемой комбини­рованной (бинарной).

На рис. 11.28 показана схема парогазовой установки. Атмосферный воздух засасывается центробежным компрессором ВК и подается в камеру

Сгорания КС, являющуюся составной частью высоконапорного парогенера­тора ПГ. При адиабатическом сжатии воздуха в компрессоре ВК его тем­пература возрастает без изменения энтропии (процесс а-Ь; рис. 11.29). При сгорании топлива в камере сгорания КС температура газов увеличивается (процесс Ь-с). Часть этой тепловой энергии используется в высоконапорном парогенераторе ПГ и пароперегревателе 1111 (рис. 11.28) для получения перегретого водяного пара (процесс 4-5-1; рис. 11.29). Часть газов из камеры сгорания КС направляется в газовую турбину ГТ (рис. 11.28), где в процессе расширения (процесс C—D; рис. 11.29) совершают полезную работу, вращая генератор Г1. В генераторе Г1 происходит преобразование энергии из механической формы в электрическую форму.

Покидающие газовую турбину ГТ отработавшие газы поступают в газоводяной подогреватель ГВ, где охлаждаются (процесс D—A; рис. 11.29) и подогревают конденсат (процесс 3-4), образующийся в конденсаторе КН паровой турбины ПТ.

Перегретый пар из пароперегревателя ПП поступает в паровую турбину ПТ, в которой расширяется (процесс 1-2; рис. 1.29), совершая полезную работу. В генераторе Г2 происходит преобразование механической энергии, получаемой от паровой турбины ПТ, в электрическую энергию.

Отработавший в паровой турбине пар поступает в конденсатор КН, где конденсируется (процесс 2-3; рис. 11.29) и откачивается водяным насосом ВН через газоводяной подогреватель ГВ в высоконапорный парогенератор ПГ (рис. 11.28).

Таким образом, полный термодинамический цикл парогазовой установ­ки (рис. 11.28) состоит из двух циклов (рис. 11.29):

Расчеты показывают, что термический КПД комбинированного цикла больше по сравнению с КПД отдельно взятого парового или газового циклов и дает экономию топлива до 15% [2, 20, 27, 30, 31].

На рис. 11.30 показана энергетическая установка французского инже­нера Дю Тремблей, работающая по бинарному циклу. Такой водоэфирной энергетической установкой было оснащено французское парусно-винтовое судно водоизмещением 500 тонн.

Водяной пар из котла поступал в цилиндр высокого давления паровой машины, в котором, расширяясь, совершал полезную работу. После цилин­дра пар поступал в теплообменник, где конденсировался. Этот теплообмен­ник являлся одновременно и эфирным котлом, в котором тепловая энер­гия от конденсирующегося водяного пара передавалась эфиру (С4Н10О). Конденсат возвращался в котел, замыкая пароводяной цикл. Пар эфира расширялся в цилиндре низкого давления машины, совершая полезную работу, после чего поступал в конденсатор, охлаждаемый забортной водой. В конденсаторе пары эфира конденсировались и возвращались в теплооб­менник — конденсатор, замыкая пароэфирный цикл.

Таким образом, установка позволяла раздвинуть интервал начальной и конечной температур рабочих тел, участвующих в цикле, уменьшив при этом главную составляющую потерь тепловой энергии, уносимой забортной водой в конденсаторе, достигающую в котломашинной установке (КМУ) 50% и более от получаемой в котле при сжигании топлива.

Так как эфир обладает более низкой по сравнению с водой температурой кипения, то это позволило понизить конечную температуру рабочего тела в цикле.

Комментарии к записи Бинарный цикл отключены

Источник

Бинарные циклы

Рабочие тела

В качестве рабочих тел нередко используют ртуть и воду.

КПД цикла

Литература

Смотреть что такое «Бинарные циклы» в других словарях:

Термодинамические циклы — Термодинамические циклы … Википедия

Круговой процесс — Термодинамические циклы Статья является частью серии «Термодинамика». Цикл Аткинсона Цикл Брайтона/Джоуля Цикл Гирна Цикл Дизеля Цикл Калины Цикл Карно Цикл Ленуара … Википедия

Цикл термодинамический — Термодинамические циклы Статья является частью серии «Термодинамика». Цикл Аткинсона Цикл Брайтона/Джоуля Цикл Гирна Цикл Дизеля Цикл Калины Цикл Карно Цикл Ленуара … Википедия

Плутоний — 94 Нептуний ← Плутоний → Америций Sm ↑ Pu … Википедия

Эконометрика как наука — Эконометрика наука, изучающая конкретные количественные и качественные взаимосвязи экономических объектов и процессов с помощью математических и статистических методов и моделей. Определение предмета эконометрики было дано в уставе… … Википедия

Экономическая статистика — Эконометрика наука, изучающая конкретные количественные и качественные взаимосвязи экономических объектов и процессов с помощью математических и статистических методов и моделей. Определение предмета эконометрики было дано в уставе… … Википедия

Холодильная машина — устройство, служащее для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Х. м. используются для получения температур от 10 °С до 150 °С. Область более низких температур относится к… … Большая советская энциклопедия

Электронная почта — Для термина «Mail» см. другие значения. Типичный интерфейс клиента электронной почты … Википедия

Задача коммивояжёра — Оптимальный маршрут коммивояжёра через 15 крупнейших городов Германии. Указанный маршрут является самым коротким из всех возможных 43 589 145 600. Задача коммивояжёра (англ. Travelling salesman problem, TSP) (коммивояжёр&#16 … Википедия

Фасм — flat assembler Тип компилятор Разработчик Томаш Гриштар ОС Win32, основанные на BSD, 29 марта 2009 Лицензия Вариант лицензи … Википедия

Источник

Бинарные циклы

Бинарные циклы

ограниченным существующими тугоплавкими металлами. Кроме того, поскольку процесс подачи тепла неэффективно выполняется в области перегрева пара, необходимо увеличить перегрев пара, поэтому термический КПД цикла Ренкина меньше, чем в цикле Это упадет относительно. По сравнению с изотермическим, изобарным процессом. Если вы можете найти рабочую жидкость с критической

Карно, который выполняется в том же температурном диапазоне. Людмила Фирмаль

температурой, намного превышающей температуру умеренно критической воды, вы можете повысить эффективность цикла Ранкина. Во-вторых, циклическая подача тепла может осуществляться при высоких температурах в области насыщенного пара без последующего перегрева, то есть изотермического процесса при низком начальном давлении. Кроме того, при низких

температурах давление насыщения рабочей жидкости не должно быть слишком низким. Однако такой рабочей жидкости пока не найдено. Это привело к идее создания сложного цикла, состоящего из двух рабочих органов, так называемого бинарного цикла. В таком сложном цикле одна рабочая жидкость должна иметь высокую критическую температуру при относительно низком давлении. Эта рабочая жидкость используется в циклах, которые работают при

рабочей жидкости с высокой температурой насыщения, соответствующей относительно низкому давлению. Например, при температуре насыщенного пара ртути tH = 582,4 ° C давление составляет 20,23 бар. Критическая температура ртути составляет 1420 ° С. В области низких температур вода является более подходящей рабочей жидкостью с низкой изобарической линией.

Например, при температуре насыщенного пара Людмила Фирмаль

Принципиальная схема двойного расположения ртути и воды показана на рисунке. 19-15. Сплошная линия показывает ртутный контур. Пары ртути, образующиеся в ртутном котле, поступают в ртутную турбину 3. После расширения пар ртути направляется в испаритель-конденсатор 2, где он конденсируется и передает тепло воде, образуя водяной пар. Следовательно, конденсаторный испаритель также является паровым водогрейным котлом. Обычно

жидкая ртуть возвращается в ртутный котел под действием силы тяжести, а образующийся водяной пар поступает в перегреватель 4 и затем поступает. Рисунок 19-16 Рисунок 19-15 Паровая турбина 5> Это делает полезную работу. Отработанный водяной пар поступает в конденсатор 6 и затем подается в конденсатор-испаритель насосом 7. Пунктирная линия показывает водяной контур. На рисунке 19-16 показана диаграмма Ts для двойной циркуляции ртути и воды.

бинарных установках сухой насыщенный «пар ртути» используется при температуре 517–557 ° C и давлении 10–15 бар. В ртутных турбинах адиабатическое расширение допускается до давления от 0,1 до 0,04 бар. Температура водяного пара на 10-15 ° ниже, чем температура паров ртути в конденсаторе (приблизительно 237-217 ° С), что соответствует давлению 33-25 бар. Для повышения эффективности бинарной установки рекомендуется использовать регенеративный нагрев питательной воды (процесс 10-11). Поскольку жидкая ртуть обладает очень небольшой теплоемкостью,

регенеративный нагрев ртути неэффективен и поэтому не применим. Перегрев Пар используется для снижения конечного содержания влаги при расширении пара в турбине. Фактическая эффективность бинарного цикла намного выше, чем эффективность установки паровой воды. Тепловая эффективность работает в том же температурном диапазоне и достигает величины эффективности цикла Карно 0,8-0,85. Если начальная температура паров ртути составляет 500 ° К, а конечная температура водяного конденсатора составляет 30 ° С, термический КПД бинарного цикла при

гидротурбин мощностью 20 000 кВт. При работе с ртутными водными объектами качественная сварка и высокая эффективность использования обеспечивают полную эксплуатационную надежность и безопасность. В настоящее время ведутся работы по замене ртути другими недорогими материалами с высокой температурой кипения и созданием более полных циклов в развитом температурном диапазоне.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник