Делай, что должен. Перспективы применения энергетических установок с низкокипящими рабочими телами

Идея практического применения энергии пара далеко не нова, использование паровых турбин в промышленных масштабах давно стало частью нашей жизни. Именно эти агрегаты, установленные на различных электростанциях и ТЭЦ, на 99% снабжают электричеством наши дома. Однако, некоторые мастера-умельцы умудряются внедрить принцип преобразования тепловой энергии в электрическую у себя дома. Для этого используется самодельная паровая турбина минимальных размеров и мощности. О том, как ее собрать в домашних условиях, и пойдет речь в данной статье.

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

• твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
• полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
• по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
• сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
• вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
• отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Как сделать паровую турбину в домашних условиях?

Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.

В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.

Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.

Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.

С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.

Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.

Применение паровой турбины

Налив в чайник воды и поставив его на включенный газ, можно убедиться, что при закипании энергии выходящего из трубки пара достаточно, чтобы на выходе электродвигателя появилась ЭДС. Для этого к нему стоит подключить светодиодный фонарик. Помимо питания для электрических лампочек, возможно и другое применение паровой турбины, например, для зарядки аккумулятора сотового телефона.

В условиях квартиры или частного дома подобная мини-электростанция может показаться простой игрушкой. А вот оказавшись в походе и взяв с собой турбированный чайник с электрогенератором, вы сможете оценить по достоинству его функциональность. Возможно, в процессе вам удастся найти еще какое-нибудь назначение турбины. Больше информации об изготовлении походного генератора из чайника можно узнать, посмотрев видео:

Заключение

К сожалению, конструктивно паровые машины достаточно сложны и сделать дома турбину, чья мощность достигала хотя бы 500 Вт, весьма затруднительно. Если стремиться к тому, чтоб соблюдалась схема работы турбины, то затраты на комплектующие и потраченное время будут неоправданными, КПД самодельной установки не превысит 20%. Пожалуй, проще купить готовый дизель-генератор.

Компания Infynity Turbine выпустила электрогенератор на микротурбине, работающий в органическом цикле Ренкина. Многие спросят: «А что такое вообще органический цикл Ренкина?» Для начала вспомним, что же есть обычный, не органический цикл Ренкина.

Цикл Ренкина - это самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла (70 - 90ºС). Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллетора и даже системы отопления. КПД подобных генераторов невелик, но из-за дешевизны такого вида тепла и большого сумарного КПД системы подобные генераторы могут занять свою нишу.

Схема работы ORC турбины

Что значит суммарный КПД?

Дело в том, что, например, при работе генератора ORC в системе отопления, источником будет служить теполноситель «подачи», а охлаждением будет являться «обратный» теплоноситель. Т.е. все тепло в конечном счете будет все-равно утилизировано системой отопления. При работе такого генератора с системой отопления, потребитель получает свою собственную надежную ТЭЦ с высоким КПД.

Внешний вид микротурбины Infinity Turbine IT10

Преимущества

• Созданы микротурбины мощностью от 2кВт! Мощностной ряд турбин других производителей обычно начинается от 100квт.
• Частота вращения турбины 1800 - 3600 об/мин. Турбина напрямую (или через муфту) подсоединяется к обычному электрогенератору. Используются обычные подшипники, обычные смазки. Напротив, у типовых микротурбин частота вращения достигает 100 тыс. об./мин. Это требует огромных усилий по удержанию турбины. Используются прецезионные керамические или воздушные подшипники, смазки, воздушные фильтра и т.п.
• Возможность многолетней работы без техобслуживания
• Работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ºС

Области применения турбин с органическим циклом Ренина

• Утилизация тепла от газовых, твердотопливных, жидкотопливных, ТЭЦ, ТЭС;
• Утилизация тепла компрессорных станций;
• Утилизация тепла промышленных процессов (металлургия, кирпичные, цементные, стекольные, спирт заводы и т.п.);
• Утилизация тепла сгорания биомассы (пеллеты, торф,);
• Утилизация тепла мусоросжигающих заводов, отходы деревообработки;
• Утилизация тепла сжигаемых нефтяных газов;
• Утилизация тепла от дизельных и турбогенераторов;
• Утилизация тепла сточных горячих вод;
• Геотермальных источников;
• Выхлопных газов;
• Утилизация тепла газовых и нефтяных скважин

Для домашних мастеров

На видео конструктор собрал дома установку с ORC. В основе установки серийные части от автомобилей и холодильной техники: спиральный компрессор от автокондиционера, турбина авто турбонагнетатель и т.п.

Видео на английском языке

Гринман М.И. к.т.н., Фомин В.А. к.т.н,
ООО «Комтек-Энергосервис», г. Санкт-Петербург

1. Общие положения

В условиях быстрого роста цен на органическое топливо энергосбережение во всех отраслях промышленности является важнейшим фактором снижения себестоимости производства продукции и повышения её конкурентоспособности. Основные направления энергосбережения:

Утилизация низкопотенциальной энергии промышленных предприятий;

Создание простых и надёжных энергетических установок для производства тепловой и электрической энергии, работающих на местных видах топлива;

Повышение коэффициента использования теплоты топлива в энергетических установках, работающих на мини-ТЭЦ и магистральных газопроводах.

Решение перечисленных проблем сдерживается отсутствием на энергетическом рынке установок, позволяющих утилизировать тепловую энергию с низкими параметрами теплоносителей.

Для энергетических установок, утилизирующих низкопотенциальную энергию, применяют низкокипящие рабочие тела (НРТ), которые имеют достаточно высокие давления насыщенных паров при низких температурах. и поэтому давно привлекают внимание разработчиков в различных областях энергетики и, в частности, в геотермальной энергетике. В качестве НРТ применяют фреоны, водный раствор аммиака, пентан, изопентан, бутан, изобутан и др.

При выборе НРТ необходимо выполнять ряд требований:

Дешевизна рабочего тела;

Хорошие теплофизические свойства (максимум работы при минимальных параметрах);

Нетоксичность;

Отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект);

Замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Область применения таких установок с НРТ достаточно широка.

В различных отраслях промышленности применяются сотни промышленных печей со сбросом горячих газов в атмосферу. В таких промышленных установках можно использовать теплоту уходящих газов в водогрейных или паровых котлах, из которых нагретую воду или пар подавать в контур с НРТ для выработки электроэнергии.

На магистральных газопроводах установлены сотни газотурбинных компрессорных станций со сбросом горячих газов в атмосферу. Такие ГТУ можно перевести в режим парогазовых установок (ПГУ) с применением контуров с НРТ. Такую же схему можно применить для энергетических ПГУ малой мощности.

Дешёвые местные виды топлива можно сжигать в водогрейных котлах, а горячую воду из них использовать в качестве греющего теплоносителя в контуре с НРТ.

В газопоршневых машинах контуры с НРТ можно использовать для утилизации теплоты выхлопных газов и теплоту системы охлаждения двигателя.

2. Комбинированная энергетическая установка

Для повышения тепловой экономичности энергетических установок и оптимизации режимных характеристик в ООО «Комтек-Энергосервис» разработана комбинированная энергетическая установка, состоящая из противодавленческой паровой турбины, к выхлопу которой параллельно подключены теплофикационная установка и контур с низкокипящим рабочим телом. В установке реализованы паровой и органический циклы Ренкина.

Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии в механическую и далее в электрическую происходит в замкнутом бутановом контуре, который включает в свой состав парогенератор (испаритель) бутана, бутановую турбину с электрогенератором, конденсатор бутана, насосное и вспомогательное оборудование (рисунок 1). Для уменьшения затрат электроэнергии на сжатие жидкого бутана применено многоступенчатое сжатие: в конденсатном насосе и в одном или двух струйных термонасосах (инжекторах).

Области применения предлагаемого бутанового контура в промышленном и коммунальном тепло- и электроснабжении многообразны и определяются источником низкопотенциальной теплоты, подводимой к парогенератору бутана.

3. Конструкция агрегатов бутанового контура

3.1.Конструкция бутановой турбины.

Применение бутана в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения бутана уменьшается на два порядка. Так при температуре конденсации 30 0 С, удельный объем водяного пара составляет 32,89 м3/кг при давлении 0,0425 бар, в то время как у бутана (R 600) – 0,141 м3/кг при давлении 2,81 бар. В результате в бутановом контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее

Рис.1. Принципиальная тепловая схема бутанового контура.

Обозначения: ИБ – испаритель бутана; ЭкБ – экономайзер бутана; ТБ – турбина бутановая; Конд. – конденсатор; ВПБ – водяной подогреватель бутана; КНБ – конденсатный насос бутановый; ИВД – инжектор высокого давления (острого пара); ИНД – инжектор низкого давления.

эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на бутане или пентане представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надёжную. Аналогом таких турбин являются турбодетандеры, преобразующие энергию в процессе понижения давления природного газа при его подаче из магистрального газопровода к потребителю.

3.2. Конструкция теплообменного оборудования.

Производство пара НРТ происходит в парогенераторе. Он представляет собой кожухотрубный теплообменник, в котором греющий теплоноситель проходит внутри трубной системы, расположенной в объёме НРТ (рис.1). Пар, полученный в процессе испарения, сепарируется и направляется в турбину.

Конденсация пара НРТ после турбины производится в конденсаторе. Если в районе расположения мини-ТЭЦ имеется достаточное количество воды, то можно применять конденсатор с водяным охлаждением, в противном случае – с воздушным охлаждением.

Потери НРТ в установке при нормальных эксплуатационных режимах практически отсутствуют, так как протечки через концевые уплотнения турбины невелики и составляют 2-3 л/мин. Эти протечки улавливаются системой сбора НРТ и возвращаются в контур. При ремонтах производится закрытый слив жидкого НРТ из контура в специальные ёмкости с последующей продувкой контура водяным паром. Потери НРТ в процессе эксплуатации восполняются из баллонов.

Агрегаты бутанового контура скомпонованы в герметичном контейнере. В соответствии с правилами обслуживания помещений с взрывоопасными газами кратность принудительной циркуляции воздуха в контейнере с оборудованием равна пяти.

Масса бутана в контуре составляет приблизительно 1500 кг. Бутан не токсичен и не является коррозионно – активным рабочим телом, поэтому турбина, трубопроводы, арматура и вспомогательное оборудование выполняются из углеродистых сталей.

4. Варианты тепловых схем энергетических установок с применением НРТ.

4.1. Совмещение контура с НРТ с противодавленческими турбинами малой мощности.

Выработка электроэнергии на тепловом потреблении наиболее эффективна, поэтому на многих промышленных и муниципальных паровых котельных устанавливают противодавленческне турбины, имеющие минимальные габариты, простые в эксплуатации, дешевые и не требующие сложного сервиса.

Основной недостаток варианта надстройки котельных паровыми противодавленческими турбинами состоит в том, что они могут работать только при наличии тепловой нагрузки.

Летом, когда тепловая нагрузка горячего водоснабжения составляет только 15% от номинальной, турбина не сможет работать, если не будет дополнительной нагрузки, связанной с потреблением пара низких параметров на технологические нужды.. В результате коэффициент использования установленной мощности в среднем за год может составлять 0,5 и ниже.

Наиболее эффективно подстраивать к выхлопу противодавленческих турбин контур, работающий на бутане, так как уровень температур греющего пара составляет 130-150 0 С. В этом случае любая недогрузка противодавленческой турбины по тепловой мощности передаётся в дополнительный контур (рис.2).

Совместная работа парового и бутанового контуров может обеспечить коэффициент использования установленной мощности паровой турбины, равный 1, независимо от тепловой нагрузки.

Компания Infynity Turbine выпустила электрогенератор на микротурбине, работающий в органическом цикле Ренкина. Многие спросят: «А что такое вообще органический цикл Ренкина?» Для начала вспомним, что же есть обычный, не органический цикл Ренкина.

Цикл Ренкина - это самый распространенный термодинамический процесс на ТЭЦ. Фактически, все паровые турбогенераторы на ТЭЦ работают в цикле Ренкина или в его вариациях. Сначала происходит нагрев и испарение воды, затем перегрев пара, перегретый пар расширяясь вращает турбину, отработанный пар конденсируется с помощью охлаждающей воды, сконденсированный пар сжимается для подачи в парогенератор.

В органическом цикле Ренкина (ORC) вместо воды, в качестве рабочего тела используются органические жидкости, кипящие при более низких температурах. Органические жидкости имеют более высокую молекулярную массу, замедляющую скорость вращения турбин. Например, могут использоваться фреоны, аналогчные используемым в холодильной технике. За счет применения такого рабочего тела становиться возможным использование низкотемпературных источников тепла (70 - 90ºС). Это могут быть такие системы накопления тепла как: солнечные пруды, градирни, гейзеры, солнечные коллетора и даже системы отопления. КПД подобных генераторов невелик, но из-за дешевизны такого вида тепла и большого сумарного КПД системы подобные генераторы могут занять свою нишу.

Схема работы ORC турбины

Что значит суммарный КПД?

Дело в том, что, например, при работе генератора ORC в системе отопления, источником будет служить теполноситель «подачи», а охлаждением будет являться «обратный» теплоноситель. Т.е. все тепло в конечном счете будет все-равно утилизировано системой отопления. При работе такого генератора с системой отопления, потребитель получает свою собственную надежную ТЭЦ с высоким КПД.

Внешний вид микротурбины Infinity Turbine IT10

Преимущества

• Созданы микротурбины мощностью от 2кВт! Мощностной ряд турбин других производителей обычно начинается от 100квт.
• Частота вращения турбины 1800 - 3600 об/мин. Турбина напрямую (или через муфту) подсоединяется к обычному электрогенератору. Используются обычные подшипники, обычные смазки. Напротив, у типовых микротурбин частота вращения достигает 100 тыс. об./мин. Это требует огромных усилий по удержанию турбины. Используются прецезионные керамические или воздушные подшипники, смазки, воздушные фильтра и т.п.
• Возможность многолетней работы без техобслуживания
• Работает при разности температур между нагревателем и охладителем в 50 ºС

Области применения турбин с органическим циклом Ренина

• Утилизация тепла от газовых, твердотопливных, жидкотопливных, ТЭЦ, ТЭС;
• Утилизация тепла компрессорных станций;
• Утилизация тепла промышленных процессов (металлургия, кирпичные, цементные, стекольные, спирт заводы и т.п.);
• Утилизация тепла сгорания биомассы (пеллеты, торф,);
• Утилизация тепла мусоросжигающих заводов, отходы деревообработки;
• Утилизация тепла сжигаемых нефтяных газов;
• Утилизация тепла от дизельных и турбогенераторов;
• Утилизация тепла сточных горячих вод;
• Геотермальных источников;
• Выхлопных газов;
• Утилизация тепла газовых и нефтяных скважин

Для домашних мастеров

На видео конструктор собрал дома установку с ORC. В основе установки серийные части от автомобилей и холодильной техники: спиральный компрессор от автокондиционера, турбина авто турбонагнетатель и т.п.

Видео на английском языке

Иногда просто удивительно, насколько люди готовы основывать универсальность своих знаний об окружающем их мире на примерах из повседневной жизни.

Например, у каждого перед глазами при словах "Наш паровоз вперёд летит", скорее всего, встанет перед глазами вот такая картинка:

А теперь - гипотетически представьте себе, что вместо обычной для паровоза воды мы зальём в локомотив фреон и заставим его кипеть в котле и давить на поршни паровоза. Что поменяется на верхней картинке?
(спойлер : У паровоза пропадёт "дым из трубы". Который, не дым, а водяной пар. Который, на самом деле - сконденсировавшиеся в результате расширения водяного пара мельчайшие капельки жидкой воды. )

Фреон, в отличии от воды, при расширении в турбине или паровой машине, не конденсируется до состояния жидкости. Это его базовое термодинамическое отличие от воды, которое, как мы поймём ниже, позволяет проделывать с фреонами некоторые инженерные фокусы, которые невозможно проделать с водой.

Конденсация воды в поршневой паровой машине в конце цикла расширения пара, в принципе, безвредна. В конечном счёте, Steampunk даже как-то немыслим без весёлого паровозика, мчащегося куда-то в красивых клубах водяного пара (точнее - водяного конденсата, но это уже, я надеюсь, понятно всем читающим).

Внутри же вращающейся с высокой скоростью паровой турбины, конденсация водяного пара на последних ступенях не приводит ни к чему хорошему. Именно поэтому тепловые электростанции крайне неохотно любят опускать ниже 30% от их номинала - на таких режимах работы конденсация водяного пара на последних ступенях паровых турбин приводит вот к таким печальным последствиям:

Как видите, даже высококачественная сталь буквально "разъедается" водяным конденсатом - в реалиях работы современных паровых турбин мельчайшие капельки иногда врезаются в их лопасти на скоростях, близких к скорости звука.

С чем же связано такое уникальное качество фреона?
Тут нам надо будет немного погрузиться в термодинамику - я лишь постараюсь изложить все детали процессов максимально доступно для неподготовленного читателя. Если у кого-то в процессе изложения термодинамических приколов и закосоввдруг повиснут интеллектуальные паруса - можно сразу идти к выводам . Они - в конце статьи, жирненьким. ;)

Любая тепловая машина работает в рамках какого-нибудь термодинамического цикла . Если мы говорим о "холостом ходе дизеля - 400 оборотов в минуту", то это означает, что наш дизельный мотор успевает за 1 минуту совершить 400 термодинамических циклов имени товарища Дизеля. Эти циклы Дизеля в нашем двигателе последовательно включают в себя фазу всасывания воздуха, фазу его сжатия, впрыск дизельного топлива, фазу рабочего хода и фазу удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя. При этом полезную работу двигатель Дизеля совершает только на фазе рабочего хода, а все остальные фазы необходимы только для обеспечения работы самого устройства.

Диаграмма T-s идеального цикла Дизеля. Полезная работа совершается на участке CD. Объяснение смысла диаграммы T-s - ниже по тексту.

При увеличении числа оборотов растёт число циклов Дизеля за единицу времени - и мы можем снимать с двигателя большую мощность, даже если в каждом из циклов мощность будет неизменной.

Идеальным циклом тепловой машины является так называемый цикл Карно . Это - идеальный случай тепловой машины, "альфа и омега" прикладной термодинамики, её священный Грааль и сферический конь - одновременно. В реальности он нигде не реализован, но абстракция этого цикла очень важна для оценки всех прикладных идей, как, например, важна абстракция математической точки для доказательства всех теорем геометрии.
Цикл Карно

Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.

Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s) , в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:

Цикл Карно. АБ-передача энергии рабочему телу, БВ-расширение рабочего тела, ВГ-забор энергии от рабочего тела, АГ-сжатие рабочего тела.

Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников АБВГ (это и есть полезная работа цикла) и АБS2S1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла . Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой БВ. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.

Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:

1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник АБВГ).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник ВГS1S2).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.

Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".

Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим , то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:

Цикл Ренкина паровой турбины на воде - расположен внутри красной кривой 1-2-3-4. Расширение пара - участок 3-4.

В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону. На первом графике фаза полезной работы в цикле поршневой машины или турбины - это кривая 3-4.

Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию (что и показано прямой 4-1). Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.

Поэтому, в момент прохождения "точки росы" пар из рабочего механизма (турбины или цилиндра) - желательно удалить и использовать его дальше или в теплообменнике, или в конденсаторе, замкнув термодинамический цикл.

У воды в этот момент времени температура уже ниже точки кипения и поэтому напрямую использовать оставшееся в рабочем теле тепло для целей, отличных от отопления или поставки горячей воды населению, - невозможно.

Для увеличения КПД классического цикла Ренкина на воде приходится придумывать различные "фокусы" в дополнение к обычному расширению насыщенного пара - дополнительно перегревать пар, ставить второй перегрев пара после первой ступени расширителя, срабатывать пар неполностью и использовать часть тепла пара на "догрев" поступающей в цикл воды.
Все эти возможности можно наглядно посмотреть здесь:

Перегрев пара

Двойной перегрев пара

Двойной перегрев пара с регенерацией

Такими "фокусами" некрасивую диаграмму цикла Ренкина для воды пытаются хоть как-то "подтянуть" по площади к идеальному прямоугольнику цикла Карно. Но всё равно, на прямоугольник получается не очень похоже...

А вот органические теплоносители (фреоны и углеводороды) оказываются в этом отношении гораздо интереснее воды - их близкое к изэнтропическому расширение в поршневой машине или турбине ведёт не в область насыщенного пара ("горбатая гора" на водяном графике T-s), а в область пара перегретого. Гора оказывается не просто "горбатая", но ещё и "пьяная":

Цикл Ренкина на пентане - кривая 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - расширение рабочего тела через турбину или поршень. 6-7 - рекуперация тепла через теплообменник. Как видите, цикл - почти прямоугольник!

Что такое перегретый пар? Это пар, который, даже при самом жгучем своём желании не может сконденсироваться в жидкость. Хотите пример? Сухой лёд. При атмосферном давлении двуокись углерода может быть или газом (перегретым паром) или твёрдым телом (сухим льдом). Все попытки перевести её в жидкое состояние будут безуспешны. Она этого не хочет. Поэтому, как оказывается углеводород - это ещё мало того, что топливо, так ещё и очень хорошее рабочее тело для тепловой машины!

То есть, если, использовать цикл Ренкина на фреонах (или углеводородах), то можно вообще не беспокоиться о конденсации рабочего тела в турбинах. Более того - для того, чтобы замкнуть этот цикл, даже приходится искусственно отбирать тепло у фреонов, строя теплообменник после расширяющего устройства - турбины или поршня.

В процессе рекуперации тепла и отборе его от перегретого пара пентана происходит "бесплатное" испарение следующей порции рабочего тела, необходимой для начала следующего рабочего цикла, то есть тратить на это дополнительную и немалую энергию, как это происходит в случае с водой, не приходится.

Поэтому - для органического цикла Ренкина лучше иметь хороший теплообменник-рекуператор, а расширитель (турбина, поршень) может быть и весьма среднего качества (а значит - может быть дешёвым и небольшим по размеру) - лишь бы такой расширитель не заставлял помпу качать уж слишком много рабочего тела.

При этом - поскольку теплообменник обычно не содержит движущихся или вращающихся частей - сделать его хорошо гораздо легче, чем поршневую машину или турбину.

Таким образом, в качестве выводов можно сказать следующее:

1. Фреоны, в силу низких температур кипения, могут принципиально работать с гораздо более низкими температурами нагревателей (это очень важно!) и охладителей(это супер важно для России!).
2. Фреоны не создают проблем с конденсацией рабочего тела внутри рабочих органов тепловых машин.
3. Фреоны позволяют сделать тепловые машины дешёвыми, простыми и легко масштабируемыми до небольших размеров.

Закончив с теорией, в следующем материале обратимся к практике. В котором мы узнаем о солнечном Израиле, туманной Аляске и 5 атомных энергоблоках компании "Газпром". ;)