5.4. Бинарные циклы.

У воды в качестве рабочего тела имеется значительное ограничение, связанное с невысоким уровнем критической температуры (t_кр = 374,15⁰С) при высоком критическом давлении (221,15 бар).

Увеличение термического КПД цикла требует повышения начального уровня темпе- ратур пара при высоких начальных давлениях, что ограничивается прочностными характе- ристиками материалов паротурбинных установок.

Необходимость введения перегрева пара снижает КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно из-за того факта, что перегрев пара происходит при р = const.

Если бы удалось найти рабочее тело в жидком состоянии с более высоким уровнем критической температуры, обеспечивающим возможность проведения всего цикла в области насыщенного пара, то уровень термического КПД цикла Ренкина мог быть существенно повышен. Пока такого вещества для широкого промышленного применения создать не удалось.

Одним из способов повышения термического КПД цикла явилась схема бинарного цикла с двумя рабочими веществами. Одно из веществ этой пары должно иметь высокую критическую температуру при сравнительно низком давлении. Это рабочее тело используют в цикле при высоких температурах. Второе рабочее тело используется в цикле, осуществляемом в области низких температур. Соединение этих двух циклов дает возможность значительно расширить общий перепад температур и тем самым увеличить общий термический КПД по сравнению с пароводяным циклом.

В качестве второго рабочего тела используют, например, ртуть, у которой высокие температуры насыщения соответствуют сравнительно низким давлениям. Например, при температуре насыщенного пара ртути t_н = 582,4⁰С давление равно 20,23 бар. Критическая температура ртути равна 1420⁰С. В области низких температур, на нижней изобаре цикла, более подходящим рабочим телом является вода.

Рис. 5.16. Принципиальная схема бинарной установки

Принципиальная схема бинарной ртутно-водяной установки представлена на рис.5.16. Сплошными линиями показан ртутный контур. Ртутный пар, образующийся в ртутном котле 1, поступает в ртутную турбину 3. Из турбины ртутный пар после расширения направляетсяв конденсатор-испаритель 2, где конденсируется и отдает свою теплоту воде для образования водяного пара. Поэтому конденсатор-испаритель одновременно является и пароводяным котлом. Жидкая ртуть обычно самотеком вновь возвращается в ртутный котел, а образовавшийся водяной пар направляется в перегреватель 4, после чего поступает в паровую турбину 5, где производитполезную работу. Отработавший водяной пар поступает в конденсатор-испаритель. Пунктирными линиями показан водяной контур.

Рис.5.17. TS- диаграмма бинарного цикла.

На рис.5.17 приведена TS – диаграмма бинарного ртутно-водяного цикла. Так как энтальпия отработавшего ртутного пара в несколько раз меньше энтальпии водяного пара, то за одно и то же время через конденсатор-испаритель должно пройти ртутного пара в 10-12 раз больше, чем водяного. В связи с этим на TS – диаграмме цикл 1-2-3-4-5-1 вычерчен для 1 кг водяного пара, а цикл 8-7-6-9-8 для m кг ртутного пара. Циклы располагаются так, чтобы процесс адиабатного расширеия ртути находился над точкой 5 сухого насыщенного водяного пара.

В бинарных установках применяют сухой насыщенный ртутный пар при давлениях 10-15 бар с температурами 517-5570С. В ртутной турбине адиабатное расщирение допускается до давлений 0,1 – 0,04 бар, что соответствует температуре 247 – 2270С. Начальную температуру водяного пара берут на 10-150 ниже температуры ртутного пара в конденсаторе, что соответствует давлению в 33-25 бар^.

Для повышения КПД бинарной установки рекомендуют применять регенеративный подогрев питательной воды (процесс 10-11). Так как теплоемкость жидкой ртути очень мала, то регенеративный подогрев ртути эффекта не дает и поэтому не применяется. Перегрев водяного пара применяют для уменьшения конечной влажности пара при его расширении тв турбине.

Действительная эффективность бинарного цикла выше эффективности пароводяной усиановки; термический КПД его достигает 0,8 – 0,85 от величины КПД цикла Карно, работающего при тех значениях температур. При начальной температуре ртутного пара 500К и конечной температуре в водяном конденсаторе 303К КПД бинарного цикла с регенеративным подогревом питательной воды равен η_t = 0,57. При применении ртутного пара с температурой 500 – 600⁰С КПД бинарного цикла будет еще выше.

Термический КПД бинарного цикла без регенерации определяется из общего уравнения:

,

где L_р – работа m кг ртутного пара;

ℓ_в – работа 1 кг водяного пара;

- энтальпия ртутного пара за ртутным котлом;

- энтальпия ртутного пара за ртутной турбиной;

- энтальпия перегретого водяного пара за пароперегревателем;

- энтальпия водяного пара за пароперегревателем;

- энтальпия ртути за конденсатором;

- энтальпия насыщенного водяного пара при выходе из котла.

m – кратность циркуляции ртути (масса ртути, приходящаяся на 1 кг воды, кг)

Величину m находим из теплового баланса конденсатор-испарителя:

,

где - энтальпия воды за конденсатором.

Первая бинарная ртутно-водяная паротурбинная установка мощностью 1800 кВт была построена в 1923 году. В дальнейшем мощность была установок такого типа возросла на порядки. Но применение ртути является негативным фактором и продолжился поиск веществ с высокой температурой кипения.

На рис.5.18 показана схема энергетической установки французского инженера Дю Тремблей, работающей по бинарному циклу. Вторым рабочим телом в этом цикле является эфир (С₄Н₁₀О). Такой водоэфирной энергетической установкой было оснащено парусно-винтовое судно водоизмещением 500 тонн.

Рис. 5.18. Схема двигателя с пароэфирным циклом работы.

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. 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 конденсатор-теплообменник, замыкая пароэфирный цикл.

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

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

Бинарный цикл возможен и без таких экзотических рабочих тел как ртуть и эфир. На рис.5.19 приведена схема комбинированной (парогазовой) установки, а на рис.5.20 приведена TS-диаграмма парогазового цикла. Рабочими телами этого комбинированного цикла являются воздух и водяной пар. Воздух работает или в цикле ДВС или ГТД. Как известно, выходные температуры газов этих двигателей достигают 500 -600⁰С, паровой же цикл Ренкина обеспечивает температуру рабочего тела на выходе на 15-20⁰ выше температуры атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух засасывается 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 a-b; рис. 5.20). При сгорании топлива в камере сгорания КС температура газов увеличивается (процесс b-c).

Рис.5.19. Схема установки, работающей на парогазовом цикле

Часть этой тепловой энергии используется в высоконапорном парогенераторе ПГ и пароперегревателе ПП для получения перегретого водяного пара (процесс 4-5-1). Часть газов из камеры сгорания КС направляется в газовую турбину ГТ, где в процессе расширения (процесс c – d) совершают полезную работу, вращая электрогенератор Г1 и компрессор ВК. В генераторе Г1 происходит преобразование энергии из механической формы в электричесскую.

Рис. 5.20. ТS-диаграмма парогазового цикла работы установки.

Покидающие газовую турбину ГТ отработавшие газы поступают в газоводяной подогреватель ГВ, где охлаждаются (процесс d – a) 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), совершая полезную работу. В генераторе Г2 происходит преобразование механической энергии расширения в турбине ПТ в электрическую.

Отработавший в паровой турбине пар поступает в конденсатор КН, где конденсируется (процесс 2-3) и откачивается водяным насосом ВН через газоводяной подогреватель ГВ в высоконапорный парогенератор ПГ (рис.5.19).

Таким образом, полный термодинамический цикл парогазовой установки (рис.5.19) состоит из двух циклов (рис..5.20):

• газового a-b­c­d­a;

• парового 1-2-3-4-5-1.

Расчеты показывают, что термический КПД комбинированного цикла больше по сравнению с КПД отдельно взятого парового или газового циклов и дает экономия топлива до 15%.