Сравнение органического и парового циклов Ренкина
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 29.05.2017 2017-05-29
Статья просмотрена: 1330 раз
Библиографическое описание:
Шубаров, Н. С. Сравнение органического и парового циклов Ренкина / Н. С. Шубаров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 21 (155). — С. 160-163. — URL: https://moluch.ru/archive/155/43752/ (дата обращения: 05.03.2021).
В данной статье проведено сравнение органического цикла Ренкина с паровым циклом Ренкина. Выявлены различия между ними и преимущества каждого, сделаны выводы.
Ключевые слова: органический цикл Ренкина, паровой цикл Ренкина
С каждым годом потребление энергии только увеличивается, и большая ее часть приходится на тепловую энергию. Но, к сожалению, часть тепловой энергии просто рассеивается в окружающую среду. Что бы утилизировать низкопотенциальную энергию используют цикл Ренкина работающий на органических веществах (класс соединений, в состав которых входит углерод, за исключением оксидов углерода, цианидов, карбидов и карбонатов) с температурой кипения ниже, чем у воды. Это позволяет реализовывать цикл Ренкина при более низкой температуре. Такой цикл носит называют органическим циклом Ренкина (ОЦР) [1].
На рисунке 1 представлена T-s диаграмма кривых насыщения воды и еще нескольких органических веществ используемых в ОЦР.
Рис. 1. T-s диаграмма воды и различных органических жидкостей
Исходя из рисунка, можно выделить два главных различия:
1) У органических жидкостей кривая насыщения пара (правая кривая) более близка к вертикали, в то время как для воды эта кривая имеет пологий наклон. В результате, пар органических жидкостей сохраняет свои качества в конце процесса расширения, и нет необходимости перегревать пар перед входом в турбину.
2) Разность энтропии между насыщенной жидкостью и насыщенным паром значительно меньше у органических жидкостей. Следовательно, и энтальпия парообразования меньше. Поэтому, для повышения мощности установки приходится увеличивать массовый расход органической жидкости, что приводит к увеличению мощности потребляемой насосом.
Основные различия между ОЦР и паровым циклом следующие:
– Перегрев. Как было указано ранее, органические жидкости обычно остаются перегретыми в конце процесса расширения. Таким образом, нет никакой необходимости в перегреве в ОЦР по сравнению с паровыми циклами. Отсутствие конденсата в проточной части турбины также снижает риск коррозии на лопатках турбины, и продлевает срок ее службы до 30 лет, тогда как для паровых турбин он составляет 15–20 лет [2].
– Низкая температура восстановления тепла. Из-за более низкой температуры кипения, тщательно выбранной органической жидкости, тепло может быть восстановлено при более низкой температуре (например, с помощью геотермальных источников).
– Габариты оборудования. В паровом цикле, плотность воды крайне низка в части низкого давления. Так как падение давления увеличивается с квадратом скорости жидкости, большой объемный расход требует увеличения гидравлического диаметра трубопроводов и размеров теплообменников. Подобным образом, размер турбины примерно пропорционален объемному расходу.
– Конструкция котла. ОЦР позволяет использовать прямоточные котлы, которые исключают паровые барабаны и рециркуляцию. Это происходит из-за относительно меньшей разности плотностей между пара и жидкости у органических тел с высокой молекулярной массой. В отличие от этого, низкая плотность пара в паровых котлах может генерировать очень разные характеристики теплопередачи и падения давления между жидкой водой и паром.
– Температура на входе в турбину. В паровых циклах Ренкина, в связи с перегревом, температура на входе в турбину должна быть выше 450 С, для избегания образования капель в процессе расширения. Это приводит к увеличению тепловых нагрузок в котле и на лопатках турбины и удорожанию материала оборудования.
– Мощность насоса. Мощность насоса пропорциональна объемному расходу жидкости и разности давлений на входе и выходе насоса. Это может быть выражено в термине Black Work Ratio (BWR), который определяется как мощность насоса, деленная на выходную мощность турбины. В паровом цикле Ренкина, расход воды относительно небольшой и BWR обычно 0,4 %. Для высокотемпературного ОЦР с использованием толуола BWR 2–3 %, а для низкотемпературного ОЦР работающего на R-134a это значение, как правило, выше 10 %.
– Высокое давление. В паровом цикле, давления около 60–70 бар и высокие тепловые нагрузки увеличивают сложность конструкции и стоимость паровых котлов. В ОЦР давления обычно не превышают 30 бар. Кроме того, рабочая жидкость не испаряется непосредственно за счет источника тепла (например, сгорание биомассы), а через промежуточное теплообменное оборудование.
– Давление конденсации. Для избегания попадания воздуха в цикл, желательно чтобы давление конденсации было выше атмосферного. Однако вода имеет давление конденсации обычно ниже на 100 мбар от абсолютного давления. Такие низкотемпературные органические жидкости как R-245fa, R-123 и R-134a отвечают этому требованию. Органические жидкости с более высокой критической температурой, такие как гексан или толуол, имеют давление ниже атмосферного при температуре окружающей среды.
– Характеристики жидкости. Вода весьма удобное рабочее тело в сравнении с органическими жидкостями. Ее основные преимущества — низкая стоимость, широкая доступность, не токсичность, негорючесть, низкий потенциал глобального потепления, нулевой потенциал разрушения озонового слоя, химическая стабильность (при кипении сохраняются ее рабочие характеристики) и низкая вязкость (следовательно, меньшие трения и более высокие коэффициенты теплопроводности). Тем не менее, паровые циклы имеют и недостатки: вода теряется в результате утечек, дренажа и продувки котла. Таким образом, система водоподготовки должна быть интегрирована с электростанцией, для подпитки цикла деионизированной водой высокой степени чистоты. Деаэратор также необходим, для удаления коррозионно-активных газов.
– Конструкция турбины. В паровых циклах, отношение давлений и теплоперепад на турбину являются очень высокими. Как следствие, зачастую используются многоступенчатые турбины. В ОЦР, теплоперепад значительно ниже, и обычно используют одно или двухступенчатые турбины, что влечет за собой более низкую стоимость. Уменьшаются также скорость вращения ротора и окружная скорость. Низкая скорость вращения ротора позволяет использовать прямой привод электрогенератора, а низкая окружная скорость уменьшает нагрузки на лопатках турбины и упрощает конструкцию.
– Эффективность. Эффективность высокотемпературных ОЦР не превышает 24 %. Паровые циклы Ренкина имеют термические КПД выше 30 %, но с более сложной конструкцией.
В таблице 1 перечислены преимущества каждой технологии.
Преимущества ОЦР ипарового цикла Ренкина
Преимущества ORC
Преимуществапарового цикла
Источник статьи: http://moluch.ru/archive/155/43752/
Energy
education
сайт для тех, кто хочет изучать энергетику
Термодинамика и тепломассообмен
Термодинамические циклы
Термодинамические циклы — круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела.
3. Циклы паротурбинных установок
Рассмотрим установку, работающую по циклу Карно, где в качестве рабочего тела будет выступать не абстрактный газ, а водяной пар. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух изобар, следовательно такая установка должна включать в себя четыре обязательных элемента: паровой котел в котором подводится теплота (горячий источник), конденсатор для отвода теплоты (холодный источник), паровую турбину, в которой будет происходить расширение пара, а также устройство для повышения давления.
Такая установка работает следующим образом – в паровой котел поступает влажный водяной пар малой степени сухости $x$. За счет сгорания в топке котла топлива (уголь, мазут, природный газ и др.) к влажному пару подводится теплота, и степень сухости пара x повышается до значений, близких к единице. Процесс подвода теплоты в котле происходит при постоянном давлении $p_1$ и постоянной температуре $T_1$, т.е. изобарно-изотермический подвод тепла. Из котла пар поступает в паровую турбину. При расширении в турбине (адиабатный процесс) поток пара приобретает значительную кинетическую энергию. На лопатках рабочего колеса турбины эта энергия превращается в кинетическую энергию вращения рабочего колеса и затем в электроэнергию с помощью электрогенератора, вращаемого турбиной. На выходе из турбины влажный пар имеет давление $p_2$ и соответствующую этому давлению температуру $T_2$. Далее пар поступает в конденсатор – теплообменник, в котором с помощью охлаждающей воды от пара отводится теплота, пар конденсируется и, следовательно, степень сухости пара уменьшается. Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе осуществляется при постоянном давлении $p_2$ и постоянной температуре $T_2$, т.е. идет изобарно-изотермический отвод тепла. После конденсации влажный пар поступает в компрессор, в котором он сжимается (адиабатный процесс) до давления $p_1$. Затем влажный пар вновь поступает в котел, и цикл замыкается. Таким образом, на участке цикла от выхода из компрессора до входа в турбину давление рабочего тела равно $p_1$, а на участке цикла от выхода из турбины и до входа в компрессор давление рабочего тела равно $p_2$.
Описанный цикл изображен на $T-s$ диаграмме ниже.
Подвод теплоты $q_1$ к пару в котле осуществляется по изобаре-изотерме 4-1, процесс расширения в паровой турбине по адиабате 1-2, отвод теплоты $q_2$ в конденсаторе по изобаре-изотерме 2-3, сжатие пара в компрессоре по адиабате 3-4.
Термический КПД обратимого цикла Карно, осуществляемого во влажном паре, как и цикла Карно с любым другим рабочим телом, определяется уравнением:
Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и состоящий из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен на рисунке ниже с учетом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре.
Здесь $S_2-S_1$ это увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обусловленное трением, а $S_4-S_3$ это увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре. С учетом условий работы теплосилового оборудования практическое осуществление этого цикла нецелесообразно, так как при работе на влажном паре, который представляет собой поток сухого насыщенного пара со взвешенными в нем капельками воды, условия работы проточных частей турбины и компрессоров оказываются тяжелыми, течения – газодинамически несовершенными и внутренний относительный КПД этих машин снижается. Другими словами, подавать на турбину влажный пар нецелесообразно, так как влажный пар имеет большую скорость, и содержащиеся в нем капельки воды бомбардируют турбину, приводя ее в негодность. Важно и то, что компрессор для сжатия влажного пара с малыми давлениями и большими удельными объемами представляет собой весьма громоздкое неудобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большое количество энергии. По этим причинам цикл Карно, осуществляемый во влажном паре, не нашел практического применения!
Цикл Ренкина. Перечисленные недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного в конденсаторе пара производить до тех пор, пока весь пар полностью не сконденсируется. В этом случае сжатию с давления $p_2$ до давления $p_1$ подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. По сравнению с объемом пароводяной смеси, объем воды весьма мал, и ее сжимаемость пренебрежимо мала по сравнению со сжимаемостью влажного пара. Для перемещения воды из конденсатора в котел с одновременным повышением ее давления применяются не компрессоры, а насосы. Они компактные и простые по устройству, и самое главное — они потребляют весьма мало энергии для своего привода.
На рисунке ниже изображен цикл Ренкина в $T-s$ диаграмме.
В отношении термического КПД цикл Ренкина представляется менее выгодным, чем обратимый цикл Карно, поскольку степень заполнения (ровно как и средняя температура подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем для цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления цикла и значительно меньшего влияния необратимости процесса сжатия воды по сравнению со сжатием влажного пара на общий КПД цикла экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно на влажном паре. Вместе с тем замена громоздкого компрессора для сжатия влажного пара компактным водяным насосом позволяет существенно снизить затраты на сооружение теплосиловой установки и упростить ее эксплуатацию.
Для того чтобы увеличить термический КПД цикла Ренкина, применяют так называемый перегрев пара. В специальном элементе котла – пароперегревателе пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении $p_1$.
Цикл Ренкина с перегревом пара показан на следующем рисунке. В этом случае средняя температура подвода теплоты увеличивается по сравнению с температурой подвода теплоты в цикле без перегрева, и, следовательно, термический КПД цикла возрастает.
Из данной диаграммы видно, что для цикла с перегревом процесс расширения пара в турбине $1-2$, осуществляемый до того же, что и раньше, давления $p_2$, заканчивается внутри двухфазной области в районе более высоких степеней сухости $x$, чем для цикла без перегрева. Благодаря этому условия работы проточной части турбины оказываются более легкими.
Перейдем к термическому КПД цикла. Общее уравнение для термического КПД цикла выглядит следующим образом:
Поскольку процессы подвода и отвода теплоты в цикле Ренкина осуществляются по изобарам, а в изобарном процессе количество подведенной и отведенной теплоты равно разности энтальпий рабочего тела в начале и в конце процесса, применительно к циклу Ренкина имеем:
Теперь подставим $q_1$ и $q_2$ в уравнение с КПД:
Раскроем скобки и перегруппируем:
Эти два уравнения равны, просто в первом случае в числителе представлена разность подведенной и отведенной теплоты $q_1$ и $q_2$, а во втором случае в числителе представлена разность работы, полученной в турбине $h_1-h_2$, и работы, затрачиваемой на привод насоса $h_4-h_3$.
Схема установки работающей по циклу Ренкина с перегревом пара представлена ниже.
Цикл Ренкина с регенеративным подогревом. Одним из способов повышения термического КПД цикла в паротурбинных теплосиловых установках, также, как и в газотурбинных установках, применяется регенерация теплоты. В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (регенеративный отбор).
Пар конденсируется в регенеративном смешивающем подогревателе, нагревая питательную воду, поступающую в котел. Конденсат греющего пара также поступает в котел или смешивается с основным потоком питательной воды. Цикл паросиловой установки с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить в плоской диаграмме, поскольку эта диаграмма строится для постоянного количества рабочего тела, тогда как в цикле установки с регенеративными подогревателями количество рабочего тела оказывается различным по длине проточной турбины. Поэтому, рассматривая изображение цикла этой установки в плоскости $T-s$ диаграммы, следует иметь в виду условность этого изображения.
На участке 1-3 цикла в $T-s$ диаграмме количество рабочего тела убывает с уменьшением давления, а на участке 4-7 количество рабочего тела возрастает с ростом давления (к питательной воде, поступающей из конденсатора, добавляется конденсат пара из отборов).
При применении смешивающих регенеративных подогревателей требуется несколько насосов, поскольку повышение давления воды должно быть ступенчатым – давление воды, поступающей в смешивающий подогреватель, должно быть равно давлению пара, отбираемого из турбины в этот подогреватель. В данной схеме число насосов на единицу больше числа отборов.
Рассмотрим более подробно цикл регенеративной установки с смешивающим подогревателем. Обозначим долю рабочего тела, отводимого в отборе, как $a$. Если расход пара, поступающего в турбину, обозначить $D$, то в подогреватель отбирается $a⋅D$ кг/ч пара. Следовательно, до точки, в которой осуществляется отбор, в турбине работает $D$ кг/ч пара, за точкой отбора $(1-a)⋅D$ кг/ч пара. Соответственно в конденсатор поступает $(1-a)⋅D$ кг/ч пара.
Если рассматривать КПД, то для нашего случая уравнение примет вид:
В циклах регенеративной установки наряду с смешивающими подогревателями также используются подогреватели поверхностного типа.
Увеличение числа ступеней регенеративного подогревателя воды приводит к повышению термического КПД цикла, ибо при этом регенерация в цикле приближается к предельной. Однако каждая последующая ступень регенеративного подогрева вносит все меньший и меньший вклад в рост КПД.
Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. Как уже отмечалось, если в турбине течет пар, имеющий значительную влажность, то гидродинамический режим проточной части турбины резко ухудшается и вследствие этого снижается КПД турбины. Для современных турбин допустимое значение степени сухости пара на выходе из турбины должно быть не ниже $x=0.86$.
Одним из способов, позволяющих это реализовать, является перегрев пара. Перегрев пара приводит к увеличению термического КПД и одновременно сдвигает в $T-s$ диаграмме точку, соответствующую состоянию пара на выходе из турбины, вправо, в область более высоких степеней сухости. Конечно, можно заявить, что мы можем дальше увеличивать термический КПД за счет повышения температуры перегрева, однако надо понимать, что дальнейшее повышение температуры ограничивается свойствами конструкционных материалов; экономическая целесообразность этого мероприятия должна сообразовываться также с увеличивающимися капиталовложениями на сооружение такой установки.
В соответствии с выше сказанным одним из путей снижения конечной влажности пара является так называемый промежуточный перегрев пара, сущность которого состоит в следующем: после того как поток пара совершил работу в турбине, расширившись до некоторого давления (обозначим $p_<пп>$, причем $p_ <пп>> p_2$, где $p_2$ – это давление на входе в конденсатор), он выводится из турбины и направляется в дополнительный пароперегреватель, размещенный, например, в газоходе котла. Там температура пара повышается до величины $T_пп$, после чего пар вновь поступает в турбину, где расширяется до давления $p_2$. Конечная влажность пара снижается.
Схема установки с промежуточным перегревом пара представлена на рисунке ниже. В случае применения промежуточного перегрева турбина выполняется в виде двухцилиндрического агрегата, состоящего по существу из двух отдельных турбин – высокого и низкого давлений. При этом обе турбины могут быть размещены на одном валу, соединенном с электрогенератором.
После того как к воде подвели тепло $q_1$ до состояния перегретого пара (точка 1), этот пар расширился не сразу до давления в конденсаторе $p_2$, а до некоторого давления $p_<пп>$ (точка 2), причем эта точка лежит в области перегретого пара. Далее мы снова подводим тепло к нашему пару $q_1’$ до некоторого состояния в точке 3, и пар вновь совершает работу до состояния точки 4.
Тогда КПД установки можно расчитать:
Если раскрыть скобки и перегруппировать получим:
Также следует обратить ваше внимание на то, что обычно после первичного расширения пара в турбине, вторичный перегрев совершают таким образом, чтобы нагреть пар до первоначальной температуры. Промежуточный перегрев пара, который в свое время вошел в энергетику главным образом как средство борьбы с высокой влажностью пара в последних ступенях турбины, является средством повышения термического КПД цикла. В современных паросиловых установках обычно применяется не только однократный, но и двухкратных промежуточный перегрев пара.
Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.
Источник статьи: http://www.energyed.ru/Term/CycleCh01
