Сравнение органического и парового циклов Ренкина | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №21 (155) май 2017 г.

Дата публикации: 29.05.2017

Статья просмотрена: 277 раз

Библиографическое описание:

Шубаров Н. С. Сравнение органического и парового циклов Ренкина // Молодой ученый. — 2017. — №21. — С. 160-163. — URL https://moluch.ru/archive/155/43752/ (дата обращения: 21.09.2018).



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.

Таблица 1

Преимущества ОЦР ипарового цикла Ренкина

Преимущества ORC

Преимуществапарового цикла

Нет перегрева

Высокая эффективность

Низкая температура на входе турбины

Дешевая рабочая жидкость

Компактность (более высокая плотность жидкости)

Экологически чистая рабочая жидкость

Более низкое давление испарения

Невоспламеняющаяся, нетоксичная рабочая жидкость

Более высокое давление конденсации

Низкая мощность насоса

Отсутствие системы водоподготовки и деаэратора

Высокая химическая стабильность рабочей жидкости

Конструкция турбины

Низкая температура регенерации тепла, прямоточный котел

Таким образом, Органический цикл Ренкина более интересен для низких и средних диапазонов мощностей (обычно меньше чем пару МВт). И часто используется для выработки электроэнергии на небольших децентрализованных электростанциях. Для получения больших диапазонов мощностей, предпочтительным остается паровой цикл, за исключением низкотемпературных источников тепла [3].

Литература:

  1. Белов Г. В., Дорохова М. А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. — 2014. — № 2. — С. 99–124.
  2. Bundela PS, Chawla V. Sustainable development through waste heat recovery // American Journal of Environmental Sciences. — 2010. — 6(1). — 83–9.
  3. Vankeirsbilck I, Vanslambrouck B, Gusev S, De Paepe M. Organic Rankine Cycle as efficient alternative to steam cycle for small scale power genera- tion. In: Proceedings of the HEFAT 2011 conference, Mauritius, 2011.
Основные термины (генерируются автоматически): паровой цикл, BWR, цикл, мощность насоса, Органический цикл, жидкость, турбина, давление конденсации, окружная скорость, объемный расход.


Похожие статьи

Особенности использования парогазовых установок на ТЭС

Осуществления надстройки газового цикла над паровым

Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котел-утилизатор [3].

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

Необратимость процесса расширения пара в турбине. 213,94. 0,1048.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового насоса. Модернизация Ташкентской тепловой электростанции путем строительства парогазовой установки.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового...

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а). Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s

сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное...

Определение эксплуатационных параметров теплового насоса

Определение основных параметров теоретического цикла итребуемой объёмной производительности (подачи) компрессора.

Перепад давления на капиллярной трубке: (21). Определение скорости движения жидкого фреона внутри капиллярной трубки

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...(при этом вода одновременно охлаждает форсунку, продлевая ее жизненный цикл). Впрыск воды (пара) в камеру сгорания несколько повышает электрическую мощность ГТУ при

Поэтому необходим достаточно жесткий контроль давления, температуры и расхода воды.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

объемный расход, давление нагнетания, линия границы, скорость вращения, граница, высокое давление, природный газ, силовая турбина, линия контроля, сопротивление сети.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой

В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Метод структурного и параметрического синтеза и анализа...

турбина низкого давления, свободная турбина), переходный канал между узлами

имя файла зависимости коэффициента влияния Kpi, окружная скорость, [м/с]

Например, решение задачи уточнения параметров цикла ГТУ, когда требуется выполнение заданных условий.

Особенности использования парогазовых установок на ТЭС

Осуществления надстройки газового цикла над паровым

Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котел-утилизатор [3].

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

Необратимость процесса расширения пара в турбине. 213,94. 0,1048.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового насоса. Модернизация Ташкентской тепловой электростанции путем строительства парогазовой установки.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового...

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а). Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s

сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное...

Определение эксплуатационных параметров теплового насоса

Определение основных параметров теоретического цикла итребуемой объёмной производительности (подачи) компрессора.

Перепад давления на капиллярной трубке: (21). Определение скорости движения жидкого фреона внутри капиллярной трубки

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...(при этом вода одновременно охлаждает форсунку, продлевая ее жизненный цикл). Впрыск воды (пара) в камеру сгорания несколько повышает электрическую мощность ГТУ при

Поэтому необходим достаточно жесткий контроль давления, температуры и расхода воды.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

объемный расход, давление нагнетания, линия границы, скорость вращения, граница, высокое давление, природный газ, силовая турбина, линия контроля, сопротивление сети.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой

В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Особенности использования парогазовых установок на ТЭС

Осуществления надстройки газового цикла над паровым

Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котел-утилизатор [3].

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

Необратимость процесса расширения пара в турбине. 213,94. 0,1048.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового насоса. Модернизация Ташкентской тепловой электростанции путем строительства парогазовой установки.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового...

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а). Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s

сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное...

Определение эксплуатационных параметров теплового насоса

Определение основных параметров теоретического цикла итребуемой объёмной производительности (подачи) компрессора.

Перепад давления на капиллярной трубке: (21). Определение скорости движения жидкого фреона внутри капиллярной трубки

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...(при этом вода одновременно охлаждает форсунку, продлевая ее жизненный цикл). Впрыск воды (пара) в камеру сгорания несколько повышает электрическую мощность ГТУ при

Поэтому необходим достаточно жесткий контроль давления, температуры и расхода воды.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

объемный расход, давление нагнетания, линия границы, скорость вращения, граница, высокое давление, природный газ, силовая турбина, линия контроля, сопротивление сети.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой

В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Метод структурного и параметрического синтеза и анализа...

турбина низкого давления, свободная турбина), переходный канал между узлами

имя файла зависимости коэффициента влияния Kpi, окружная скорость, [м/с]

Например, решение задачи уточнения параметров цикла ГТУ, когда требуется выполнение заданных условий.

Особенности использования парогазовых установок на ТЭС

Осуществления надстройки газового цикла над паровым

Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котел-утилизатор [3].

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

Необратимость процесса расширения пара в турбине. 213,94. 0,1048.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового насоса. Модернизация Ташкентской тепловой электростанции путем строительства парогазовой установки.

Оценка термодинамической эффективности цикла теплового...

Рис. 1. Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (а). Цикл парокомпрессионного ТН в Т, s

сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе; (2–3) изобарная конденсация рабочего тела; (3–4) изоэнтропийное...

Определение эксплуатационных параметров теплового насоса

Определение основных параметров теоретического цикла итребуемой объёмной производительности (подачи) компрессора.

Перепад давления на капиллярной трубке: (21). Определение скорости движения жидкого фреона внутри капиллярной трубки

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

...(при этом вода одновременно охлаждает форсунку, продлевая ее жизненный цикл). Впрыск воды (пара) в камеру сгорания несколько повышает электрическую мощность ГТУ при

Поэтому необходим достаточно жесткий контроль давления, температуры и расхода воды.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

объемный расход, давление нагнетания, линия границы, скорость вращения, граница, высокое давление, природный газ, силовая турбина, линия контроля, сопротивление сети.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой

В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Задать вопрос