Buhar türbini nasıl yapılır?

Infynity Turbine şirketi, organik Rankine çevriminde çalışan bir mikrotürbin elektrik jeneratörünü piyasaya sürdü. Birçoğu şu soruyu soracaktır: "Organik Rankine döngüsü nedir?" Başlangıç ​​olarak sıradan, organik olmayan Rankine döngüsünün ne olduğunu hatırlayalım.

Rankine çevrimi termik santrallerde en yaygın termodinamik prosestir. Aslında termik santrallerdeki tüm buhar türbini jeneratörleri Rankine çevrimi veya onun varyasyonları üzerinde çalışmaktadır. Önce su ısıtılır ve buharlaştırılır, ardından buhar aşırı ısıtılır, kızgın buhar genleşerek türbini döndürür, egzoz buharı soğutma suyu yardımıyla yoğunlaştırılır, yoğunlaşan buhar sıkıştırılarak buhar jeneratörüne verilir.

Organik Rankine çevriminde (ORC), çalışma akışkanı olarak su yerine daha düşük sıcaklıklarda kaynayan organik sıvılar kullanılır. Organik sıvılar daha yüksek moleküler ağırlığa sahiptir ve bu da türbinlerin hızını yavaşlatır. Örneğin soğutma teknolojisinde kullanılanlara benzer freonlar kullanılabilir. Böyle bir çalışma sıvısının kullanılması nedeniyle düşük sıcaklıktaki ısı kaynaklarının (70 - 90ºС) kullanılması mümkün hale gelir. Bunlar güneş havuzları, soğutma kuleleri, gayzerler, güneş kollektörleri ve hatta ısıtma sistemleri gibi ısı depolama sistemleri olabilir. Bu tür jeneratörlerin verimliliği düşüktür, ancak bu tür ısının düşük maliyeti ve sistemin yüksek genel verimliliği nedeniyle bu tür jeneratörler nişlerini işgal edebilir.

ORC türbin çalışma şeması

Toplam verimlilik ne anlama geliyor?

Gerçek şu ki, örneğin, bir ORC jeneratörü bir ısıtma sisteminde çalıştığında, kaynak soğutucunun "beslenmesi" ve soğutmanın "dönüş" soğutucusu olacaktır. Onlar. sonuçta tüm ısı yine de ısıtma sistemi tarafından kullanılacaktır. Böyle bir jeneratör bir ısıtma sistemi ile çalıştığında tüketici, yüksek verimle kendi güvenilir termik santraline sahip olur.

Infinity Turbine IT10 mikrotürbininin görünümü

Avantajları

• 2 kW veya daha fazla güce sahip mikro türbinler oluşturuldu! Diğer üreticilerin türbinlerinin güç aralığı genellikle 100 kW'tan başlar.
• Türbin dönüş hızı 1800 - 3600 rpm. Türbin doğrudan (veya bir bağlantı aracılığıyla) geleneksel bir elektrik jeneratörüne bağlanır. Normal rulmanlar ve yağlayıcılar kullanılır. Aksine, tipik mikro türbinlerin dönüş hızı 100 bin rpm'ye kadar çıkmaktadır. Bu, türbini tutmak için çok büyük bir çaba gerektirir. Hassas seramik veya hava yatakları, yağlayıcılar, hava filtreleri vb. kullanılır .
• Uzun yıllar bakım gerektirmeden çalışma imkanı
• Isıtıcı ve soğutucu arasındaki 50 ºС sıcaklık farkında çalışır

Renina organik çevrim türbinlerinin uygulamaları

• Gaz, katı yakıt, sıvı yakıt, termik santraller, termik santrallerden ısı geri kazanımı;
• Kompresör istasyonlarından ısı geri kazanımı;
• Endüstriyel proseslerden (metalurji, tuğla, çimento, cam, alkol fabrikaları vb.) ısı geri kazanımı;
• Biyokütleden (pelet, turba) yanma ısısının kullanılması;
• Atık yakma tesislerinden, ahşap işleme atıklarından ısı geri kazanımı;
• Yanmış petrol gazlarından ısı geri kazanımı;
• Dizel ve turbo jeneratörlerden ısı geri kazanımı;
• Atık sıcak sudan ısı geri kazanımı;
• Jeotermal kaynaklar;
• Egzoz gazları;
• Gaz ve petrol kuyularından ısı geri kazanımı

DIY'ciler için

Videoda tasarımcı evde ORC ile bir kurulum gerçekleştirdi. Kurulum, arabalardan ve soğutma ekipmanlarından gelen seri parçalara dayanmaktadır: bir araba klimasından bir kaydırma kompresörü, bir türbin, bir araba turboşarjı vb.

İngilizce video

Buhar enerjisinin pratik kullanımı fikri yeni olmaktan çok uzaktır; buhar türbinlerinin endüstriyel ölçekte kullanımı uzun zamandır hayatımızın bir parçası olmuştur. Evlerimizin %99'unun elektriğini sağlayan, çeşitli enerji santrallerinde ve termik santrallerde kurulu olan bu ünitelerdir. Ancak bazı ustalar evde termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme ilkesini tanıtmayı başarıyorlar. Bunun için minimum boyut ve güçte ev yapımı bir buhar türbini kullanılır. Evde nasıl monte edileceği bu makalede tartışılacaktır.

Buhar türbini nasıl çalışır?

Temelde buhar türbinleri, yakıt enerjisini elektriğe, bazen de ısıya dönüştürmek için tasarlanmış karmaşık bir sistemin parçasıdır.

Şu anda bu yöntemin uygun maliyetli olduğu düşünülmektedir. Teknolojik olarak bu şu şekilde gerçekleşir:

• Buhar kazanı tesisinde katı veya sıvı yakıt yakılır. Sonuç olarak çalışma akışkanı (su) buhara dönüşür;
• ortaya çıkan buhar ayrıca aşırı ısınır ve 3,43 MPa basınçta 435 ºС sıcaklığa ulaşır. Bu, tüm sistemin maksimum verimliliğini elde etmek için gereklidir;
• Çalışma sıvısı, özel üniteler kullanılarak nozüller arasında eşit olarak dağıtıldığı boru hatları aracılığıyla türbine iletilir;
• nozullar, şaft üzerine monte edilmiş kavisli kanatlara canlı buhar vererek dönmesine neden olur. Böylece genişleyen buharın kinetik enerjisi mekanik harekete dönüşür, buhar türbininin çalışma prensibi budur;
• “Ters elektrik motoru” olan jeneratör şaftı, türbin rotoru tarafından döndürülerek elektrik üretimi sağlanır;
• egzoz buharı kondansatöre girer, burada ısı eşanjöründeki soğutulmuş su ile temastan sonra sıvı hale gelir ve ısıtma için tekrar kazana pompalanır.

Not. En iyi durumda, buhar türbininin verimliliği %60'a ulaşır ve tüm sistemin verimliliği %47'den fazla değildir. Yakıt enerjisinin önemli bir kısmı ısı kaybı nedeniyle kaybolur ve şaftların dönüşü sırasında sürtünme kuvvetinin üstesinden gelmek için harcanır.

Aşağıdaki fonksiyonel diyagram, bir buhar türbininin bir kazan tesisi, bir elektrik jeneratörü ve sistemin diğer elemanları ile birlikte çalışma prensibini göstermektedir:

Çalışma verimliliğinde bir azalmayı önlemek için, maksimum tasarım kanat sayısı rotor şaftına yerleştirilmiştir. Aynı zamanda özel contalar sayesinde stator mahfazası ile aralarında en küçük boşluk olması sağlanır. Basit bir ifadeyle, buharın mahfazanın içinde "boşta dönmemesi" için tüm boşluklar en aza indirilmiştir. Bıçak, buharın genleşmesinin yalnızca nozulun çıkışında değil aynı zamanda girintisinde de devam edeceği şekilde tasarlanmıştır. Bunun nasıl gerçekleştiği bir buhar türbininin çalışma şemasında yansıtılmaktadır:

Kanatlara çarptıktan sonra basıncı düşen çalışma akışkanının, ilk bloktaki çalışma çevriminden sonra hemen kondansatöre girmediğine dikkat edilmelidir. Sonuçta, hala yeterli bir termal enerji kaynağına sahiptir ve bu nedenle buhar, boru hatları aracılığıyla ikinci düşük basınç ünitesine gönderilir ve burada yine farklı bir tasarıma sahip kanatlar aracılığıyla şaft üzerinde hareket eder. Şekilde gösterildiği gibi, bir buhar türbini tasarımı bu tür birkaç blok içerebilir:

1 – aşırı ısıtılmış buhar temini; 2 – blok çalışma alanı; 3 – kanatlı rotor; 4 – şaft; 5 – kondansatöre egzoz buharı çıkışı.

Referans için. Jeneratör rotorunun dönüş hızı 30.000 rpm'ye ulaşabilir ve buhar türbininin gücü 1500 MW'a kadar çıkabilir.

Evde buhar türbini nasıl yapılır?

Pek çok İnternet kaynağı, evde bir teneke kutudan ve az sayıda alet kullanılarak mini bir buhar türbininin yapılabileceği bir algoritma yayınlamaktadır. Kutunun kendisine ek olarak, alüminyum tele, şeridi ve pervaneyi kesmek için küçük bir kalay parçasına ve bağlantı elemanlarına ihtiyacınız olacak.

Kavanozun kapağına 2 delik açın ve bir parça tüpü lehimleyin. Bir teneke parçasından bir türbin pervanesi kesilir ve P harfi şeklinde bükülmüş bir şeride tutturulur. Daha sonra şerit ikinci deliğe vidalanır ve pervane, kanatlar borunun karşısında olacak şekilde konumlandırılır. Operasyon sırasında açılan tüm teknolojik delikler de kapatılmıştır. Ürün tel bir stand üzerine yerleştirilmeli, bir şırıngadan su doldurulmalı ve kuru yakıt alttan yakılmalıdır. Doğaçlama bir buhar türbini rotoru, tüpten kaçan buhar akışından dönmeye başlayacaktır.

Bu DIY buhar türbininin herhangi bir amaç için kullanılamaması nedeniyle böyle bir tasarımın yalnızca prototip, oyuncak görevi görebileceği açıktır. Güç çok düşük ve herhangi bir verimlilikten söz edilmiyor. Bir ısı motorunun çalışma prensibini örnek olarak göstermek mümkün mü?

Mini elektrik jeneratörü aslında eski bir metal su ısıtıcısından yapılabilir. Bunu yapmak için, su ısıtıcısının kendisine ek olarak, ince duvarlı bir bakır veya paslanmaz çelik boruya, bir bilgisayar soğutucusuna ve küçük bir alüminyum levha parçasına ihtiyacınız olacak. İkincisinden, düşük güçlü bir buhar türbininin yapılacağı kanatlı yuvarlak bir pervane kesilir.

Elektrik motoru soğutucudan çıkarılarak pervane ile aynı eksene monte edilir. Ortaya çıkan cihaz yuvarlak bir alüminyum kasaya monte edilmiştir; boyutu, su ısıtıcısı kapağının yerine sığmalıdır. İkincisinin alt kısmında, tüpün lehimlendiği bir delik açılır ve dışarıdan bir bobin yapılır. Gördüğünüz gibi, bobin kızdırıcı rolünü oynadığı için buhar türbininin tasarımı gerçeğe çok yakındır. Tahmin edebileceğiniz gibi borunun ikinci ucu, doğaçlama pervane kanatlarına bağlı.

Not. Cihazın en karmaşık ve zaman alıcı kısmı bobindir. Bakır borudan paslanmaz çelikten yapmak daha kolaydır, ancak uzun sürmez. Açık ateşle temas, bakır kızdırıcıyı hızla yakacaktır, bu nedenle paslanmaz borudan kendiniz yapmak daha iyidir.

Buhar Türbini Uygulaması

Su ısıtıcısına su döküp gazın üzerine koyarak, kaynatıldığında tüpten çıkan buharın enerjisinin, elektrik motorunun çıkışında bir EMF görünmesi için yeterli olduğundan emin olabilirsiniz. Bunu yapmak için ona bir LED el feneri bağlamanız gerekir. Ampullere güç vermenin yanı sıra, buhar türbininin cep telefonu pilini şarj etmek gibi başka kullanımları da mümkündür.

Bir apartman dairesinde veya özel evde böyle bir mini elektrik santrali basit bir oyuncak gibi görünebilir. Ancak kendinizi bir yürüyüşte bulursanız ve yanınıza elektrik jeneratörlü turboşarjlı bir su ısıtıcısı alırsanız, işlevselliğini takdir edebileceksiniz. Belki bu süreçte türbin için başka bir amaç bulabileceksiniz. Videoyu izleyerek su ısıtıcısından kamp jeneratörü yapma hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz:

Çözüm

Ne yazık ki buhar motorları yapısal olarak oldukça karmaşıktır ve gücü en az 500 W'a ulaşan bir türbini evde yapmak çok zordur. Türbin çalışma planına uyulmasını sağlamaya çalışırsanız, bileşenlerin maliyetleri ve harcanan zaman haksız olacak, ev yapımı kurulumun verimliliği% 20'yi aşmayacaktır. Hazır bir dizel jeneratör satın almak muhtemelen daha kolaydır.

Termal elektrik santrali bir elektrik jeneratörü ve bir elektrik besleme sistemi ile bir buhar türbini tesisatı içerir; özelliği, seri olarak monte edilmiş, hidrolik olarak bağlanmış ve şekillendirilmiş bir freon türbini, bir kuru fan soğutma kulesi, bir pompa ve bir buharlaştırıcı içeren bir freon aşaması ile donatılmış olmasıdır. bir termik santralin freon devresi. Buhar türbini, elektrik jeneratörü ve freon buhar türbini ünitesi aynı şaft üzerinde bulunur. Önerilen faydalı modelin teknik sonucu, yüksek verimliliğe ve daha küçük genel boyutlara sahip bir termik santralin oluşturulmasıdır.

Önerilen faydalı model, termal enerji mühendisliği ile ilgilidir ve enerji santrallerinde elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılabilir.

Bir termik santral bilinmektedir [Kutateladze S.S., Rosenfeld L.M. / Patent 941517] bir elektrik jeneratörü, kondansatör, pompa ve ısı eşanjörüne sahip bir freon buhar türbini içerir.

Ancak bu kurulum düşük güçlüdür, düşük buhar parametrelerinde çalışır ve düşük teknik ve ekonomik göstergelere sahiptir.

Ayrıca bir termik santral bilinmektedir [Dobroumov L.A., Telyakova T.V.. Termik santraller ve nükleer santraller için buhar türbini tesisleri: Endüstri kataloğu / Ed. V.N. Butina. - M .: Yayınevi TsNIITEITYAZHMASH, 1994. - 96 s.] Önerilen faydalı modelin bir prototipidir ve bir elektrik jeneratörü ve bir elektrik besleme sistemi ile bir buhar türbini tesisatı içerir. Buhar türbini ünitesi evaporatöre hidrolik olarak bağlanmıştır.

Bununla birlikte prototipin dezavantajları vardır: suyun fiziksel özelliklerinden dolayı, 273 K'nin altındaki sıcaklıklarda su buharının yoğunlaşmasına izin verilmez, bu da düşük verime neden olur; Su buharının yüksek spesifik hacimsel akış hızları, önemli genel boyutları belirler.

Önerilen faydalı modelin amacı, yüksek verimli ve daha küçük genel boyutlara sahip bir termik santral oluşturmaktır.

Görev, elektrik besleme sistemine sahip bir elektrik jeneratörü içeren termik santralin, elektrik jeneratörü ile aynı şaft üzerinde bulunan bir freon kademesi ve termik gücün freon devresi ile donatılmasıyla gerçekleştirilir. tesis, seri olarak monte edilen ve hidrolik olarak bağlanan bir freon kademesi, kuru fanlı soğutma kulesi, bir pompa ve bir evaporatörden oluşmaktadır.

Çizim önerilen kurulumun blok diyagramını göstermektedir.

Önerilen termik santral, bir buhar türbini ünitesi ve bir freon kademesi içermektedir. Elektrik besleme sistemine sahip bir buhar türbini tesisatı, bir buhar türbini (1), bir elektrik jeneratörü (2), bir buharlaştırıcı (3), düşük basınçlı ısıtıcılar (4), bir hava giderici (5), yüksek basınçlı ısıtıcılardan (6) oluşur. ve bir kazan (7). Freon kademesi bir freon türbini (8), kuru fanlı soğutma kulesi (9) ve seri olarak monte edilen ve hidrolik olarak bağlanan bir pompadan (10) oluşur. Bu durumda buhar türbini, elektrik jeneratörü ve freon buhar türbini ünitesi aynı şaft üzerinde bulunur.

Bu kurulum şu şekilde çalışır: su buharı buhar türbinine (1) girer, ardından buhar evaporatöre (3) girer, burada evaporatöre (3) giren freon nedeniyle yoğunlaşır, ardından yoğunlaşan buhar (su) buharlaştırıcıya (3) girer. alçak basınçlı ısıtıcılara (4), ardından hava gidericiye (5) ve ardından yüksek basınçlı ısıtıcılara (6) ve sırasıyla kazana (7) gönderilmektedir. Freon döngüsüne göre, evaporatöre (3) giren freon, su buharının parametreleri nedeniyle buhar durumuna dönüşür, daha sonra freon buharı freon türbinine (8) girer, harcanan freon kuru fanlı soğutma kulesinde yoğunlaştırılır. (9) ve bir pompa (10) tarafından buharlaştırıcıya (3) beslenir, böylece kapalı bir freon devresi oluşturulur.

Dolayısıyla önerilen termik santral, prototiple karşılaştırıldığında: Freonu çalışma sıvısı olarak kullanan bir freon aşamasına sahiptir; Freonun fiziksel özellikleri nedeniyle suya kıyasla düşük spesifik hacimsel freon tüketimi sağlanır ve bu da boyutta bir azalmaya yol açar. Freon buharının 273 K'nin altındaki sıcaklıklarda yoğunlaşması nedeniyle yüksek verim sağlanır.

Bazen insanların çevrelerindeki dünya hakkındaki bilgilerinin evrenselliğini günlük hayattan örneklere dayandırmaya ne kadar istekli oldukları şaşırtıcıdır.

Örneğin, herkes “Lokomotifimiz ileri doğru uçuyor” sözlerini duyduğunda, büyük olasılıkla gözlerinin önünde şu resim belirecektir:

Şimdi - varsayımsal olarak, bir buharlı lokomotif için normal su yerine, lokomotifin içine freon döktüğümüzü ve kazanda kaynattığımızı ve lokomotifin pistonlarına baskı uyguladığımızı hayal edin. Üstteki resimde ne değişecek?
(bir şeyin önceden reklamı:Lokomotifin bacasından artık duman çıkmayacak. Bu duman değil, su buharıdır. Bunlar aslında su buharının genleşmesi sonucu yoğunlaşan küçük sıvı su damlacıklarıdır.)

Freon, sudan farklı olarak, bir türbin veya buhar motorunda genleştirildiğinde, sıvı hale yoğunlaşmaz. Bu, onun sudan temel termodinamik farkıdır ve aşağıda anlayacağımız gibi, suyla yapılamayan bazı mühendislik hilelerini freonlarla yapmanıza olanak tanır.

Pistonlu bir buhar motorunda buhar genleşme çevriminin sonunda suyun yoğunlaşması prensip olarak zararsızdır. Sonuçta, Steampunk, güzel su buharı bulutları içinde bir yerde yarışan neşeli küçük bir tren olmadan bir şekilde düşünülemez (daha doğrusu, su yoğunlaşması, ancak bu, umarım okuyan herkes için zaten açıktır).

Yüksek hızda dönen bir buhar türbininin içinde su buharının son aşamalarda yoğunlaşması iyi bir şeye yol açmaz. Bu nedenle termik santraller nominal değerlerinin %30'unun altına düşme konusunda son derece isteksizdirler - bu tür çalışma modlarında, buhar türbinlerinin son kademelerinde su buharının yoğunlaşması aşağıdaki üzücü sonuçlara yol açar:

Gördüğünüz gibi, yüksek kaliteli çelik bile kelimenin tam anlamıyla su yoğunlaşması nedeniyle "paslanır" - modern buhar türbinlerinin gerçeklerinde, küçük damlacıklar bazen ses hızına yakın hızlarda kanatlarına çarpar.

Freonun bu eşsiz kalitesinin nedeni nedir?
Burada termodinamiğe biraz dalmamız gerekecek - süreçlerin tüm ayrıntılarını hazırlıksız okuyucu için mümkün olduğunca erişilebilir sunmaya çalışacağım. Termodinamik şakalar ve kelime oyunları sunma sürecinde birinin entelektüel yelkenleri aniden kapanmaya başlarsa - hemen sonuca varabilirsiniz. Yazının sonunda koyu harflerle yazılmıştır. ;)

Herhangi bir ısı motoru bazı termodinamik kurallar çerçevesinde çalışır. döngü. “Dizel rölanti devri - 400 rpm” den bahsedersek, bu, dizel motorumuzun Yoldaş Diesel'in adını taşıyan 400 termodinamik döngüyü 1 dakikada tamamlamayı başardığı anlamına gelir. Motorumuzdaki bu Dizel çevrimleri sırasıyla hava emme aşamasını, sıkıştırma aşamasını, dizel yakıt enjeksiyonunu, güç stroku aşamasını ve yanma ürünlerinin motor silindirlerinden uzaklaştırılması aşamasını içerir. Aynı zamanda Dizel motor faydalı işler yapar sadece güç stroku aşamasında ve diğer tüm aşamalar yalnızca cihazın kendisinin çalışmasını sağlamak için gereklidir.

İdeal bir Dizel çevriminin T-s diyagramı. CD bölümünde faydalı çalışmalar yapılmıştır. T-s diyagramının anlamı aşağıda metinde açıklanmıştır.

Hız arttıkça birim zaman başına dizel çevrim sayısı artar ve her çevrimde güç değişmeden kalsa bile motordan daha fazla güç çekebiliriz.

Bir ısı motorunun ideal çevrimi sözde Carnot döngüsü. Bu, aynı zamanda uygulamalı termodinamiğin "alfa ve omega"sı, kutsal kâsesi ve küresel atı olan bir ısı motorunun ideal durumudur. Gerçekte hiçbir yerde uygulanmaz, ancak bu döngünün soyutlanması, uygulanan tüm fikirlerin değerlendirilmesi için çok önemlidir, tıpkı örneğin matematiksel bir noktanın soyutlanmasının, geometrinin tüm teoremlerini kanıtlamak için önemli olması gibi.
Carnot döngüsü

Fransız bilim adamı Sadi Carnot, 19. yüzyılın ortalarında ısı motorlarını değerlendirmek için bu çevrimi önerdi. Döngü, genleşme, sıkıştırma, çalışma sıvısına enerji aktarımı ve ondan fazla enerji alımının mümkün olduğu kadar uzun süre (ideal olarak süresiz olarak) ve sürtünme nedeniyle herhangi bir ek kayıp olmadan, çalışma hacminin duvarlarından enerji kaybı olmadan, vb. Böyle bir döngünün gerçek bir ısı motoru çerçevesinde uygulanmasının imkansız olduğu açıktır - ve sonuç olarak aslında insanlık, gerçek termodinamik döngüler biçiminde hızlı ve kirli yollar kullanır; derece veya diğeri ideal Carnot döngüsünün vekilleridir.

Hesaplama kolaylığı için tüm termodinamik çevrimler özel koordinatlarda çizilmiştir "sıcaklık-entropisi" (T-s) Bunları analiz etmenin ve birbirleriyle karşılaştırmanın uygun olduğu. Standardımız olan Carnot-eski-vintage-tarzı bisikletimiz güzel ve özlüdür:

Carnot döngüsü. AB - çalışma akışkanına enerji transferi, BV - çalışma akışkanının genleşmesi, VG - çalışma akışkanından enerji alımı, AG - çalışma akışkanının sıkıştırılması.

Carnot döngüsü şunu elde etmenizi sağlar: maksimum verimlilik Isıtıcının ve buzdolabının belirli sıcaklıklarında ısı motoru. Birisi nedenini anlamak isterse, insanlığın icat ettiği tüm termodinamik döngüleri bağımsız olarak inceleyebilir ve bunları Sadi Carnot'un fikriyle karşılaştırabilir. Tamamen uygulamalı anlayışımız için, bu maksimum verimliliğin ABVG (bu döngünün faydalı işidir) ve ABS2S1 (bu döngüde harcanan toplam enerjidir) dikdörtgen alanlarının oranıyla belirlendiğini bilmek yeterlidir. Öyleyse, Gerçek çevrim “Carnot dikdörtgenine” ne kadar yakınsa böyle bir çevrimden bekleyebileceğimiz verim de o kadar yüksek olur. Dizel döngüsünde olduğu gibi Carnot döngüsünde de faydalı çalışma yalnızca tek bir bölümde - düz BV'de gerçekleştirilir. Bu arada, geriye dönüp baktığımızda, T-s koordinatlarındaki Dizel çevriminin diyagramına baktığınızda, yaşlı adamı neden bu kadar çok sevdiğimizi anlayabilirsiniz - onun diyagramı, bir Carnot dikdörtgeni olmasa da, bir Carnot dikdörtgeni olmak için çok çabalıyor.

Bu nedenle, ısı motorlarının verimliliğini artırmak istiyorsak (ve birincil enerji verimliliğinin zaten kaçınılmaz olarak düşeceğini hatırlıyoruz ve bu nedenle gelecekte bir sonraki dönüşümde verimliliğin her yüzdesi için mücadele etmemiz gerekecek birincil enerji), termodinamik matematikten bunun için yalnızca üç yolumuz var:

1. Isıtıcı sıcaklığını artırın (ABCD dikdörtgenini artırın).
2. Soğutma suyu sıcaklığını düşürün (ВГS1S2 dikdörtgenini azaltın).
3. Daha fazla "dikdörtgen" termodinamik döngü kullanın.

Artık termal türbinlerde yaygın olarak kullanılan klasik çalışma akışkanı su, T-s (sıcaklık-entropi) koordinatlarında oldukça hoş olmayan bir eğriye sahiptir. Aşağıda resimlerde her şeyi net bir şekilde görüyorsunuz ama ben her şeyi “parmaklarda” anlatacağım.

Su veya herhangi bir organik çalışma sıvısı olsun, herhangi bir maddenin buharla genleştirilmesi işlemi mümkün olduğu kadar yapılmaya çalışılır. izantropik yani pratik olarak mekanik veya termal kayıplar olmadan gerçekleştirmek. T-s diyagramında bu süreç şuna karşılık gelir: dikey düz, bu da bu kısımdaki döngümüzün “ideal Carnot dikdörtgenini” pekala tekrarlayacağı anlamına geliyor. İzantropik bir süreç, ideal bir adyabatik sürece, yani bir gazın veya buharın serbest genleşme sürecine karşılık gelir. İşte şimdi buhar türbinlerinde kullanılan gerçek Rankine çevriminin bir örneği. İçten yanmalı motorun her devrine bağlı olan Dizel çevriminin aksine, türbin çevrimleri periyodik değildir, yani çevrim içindeki tüm çalışma sıvısının yalnızca ortalama hareketini gösterirler. Ancak termodinamik açısından bunun hiçbir rolü yoktur:

Su üzerindeki bir buhar türbininin Rankine çevrimi kırmızı 1-2-3-4 eğrisinin içinde yer alır. Buhar genişletme - bölüm 3-4.

Gerçek hayatta, hem pistonlu motorlar hem de türbinler gazı ve buharı izentropik olarak genişletmezler, bu nedenle çevrimden faydalı enerji elde etme süreci kayıplarla gerçekleşir ve grafikteki adyabatik genleşmenin dikey düz çizgisi alt ucunda hafifçe sapar. Sağ. İlk grafikte bir pistonlu makinenin veya türbinin çevrimindeki yararlı iş aşaması 3-4 eğrisidir.

Adyabatik genleşme süreci buhar ve gazda meydana geldiğinden eşzamanlı hem basınç hem de sıcaklık kaybı - dünya böyle işler - daha sonra er ya da geç çalışma sıvısının buharı yoğuşma sıcaklığına (bir buharlı lokomotifin bacasından çıkan buhar) soğutulur. Bu durumda, “çiy noktasının” (ilk grafikte 4. nokta) aşılması, buharla daha fazla çalışmanın yapılamayacağı anlamına gelir, çünkü buharın daha fazla genleşmesi yalnızca yoğunlaşmasına neden olur (bu, 4-1 satırında gösterilmiştir) . Su üzerinde çalışırken çiğlenme noktasından kaçınmak imkansızdır - su için ek olarak T-s diyagramında çizilen "geri dönüş dağı" içinde su isteyerek hem buhar hem de sıvı halde kalır.

Bu nedenle, buhar çalışma mekanizmasından (türbin veya silindir) "çiğlenme noktasını" geçtiği anda, termodinamik döngüyü kapatarak onu çıkarmanız ve bir ısı eşanjöründe veya bir kondansatörde daha fazla kullanmanız önerilir.

Zamanın bu noktasında, suyun sıcaklığı halihazırda kaynama noktasının altındadır ve bu nedenle çalışma akışkanında kalan ısının, ısıtma veya nüfusa sıcak su sağlamak dışında amaçlarla doğrudan kullanılması mümkün değildir.

Klasik Rankine döngüsünün su üzerindeki verimliliğini arttırmak için, doymuş buharın olağan genleşmesine ek olarak çeşitli "püf noktaları" bulmak gerekir - ek olarak buharı aşırı ısıtın, ilk aşamadan sonra buharın ikinci bir aşırı ısınmasını kurun. genleştirici, buharı eksik çalıştırır ve buharın ısısının bir kısmını çevrim suyuna giren buharı "yeniden ısıtmak" için kullanır.
Tüm bu olasılıklar burada açıkça görülebilir:

Buharın aşırı ısınması

Çift buharlı kızdırma

Rejenerasyonlu çift buharlı kızdırma

Bu tür "hilelerle", bölgedeki su için Rankine döngüsünün çirkin diyagramını Carnot döngüsünün ideal dikdörtgenine bir şekilde "sıkıştırmaya" çalışıyorlar. Ama yine de pek dikdörtgene benzemiyor...

Ancak organik soğutucuların (freonlar ve hidrokarbonlar) bu bakımdan sudan çok daha ilginç olduğu ortaya çıkıyor - bunların bir pistonlu makine veya türbindeki izentropik genleşmeye yakın olması, doymuş buhar bölgesine (su T-s'sindeki "geri dönüş dağı") yol açmaz. grafik), ancak aşırı ısıtılmış buhar bölgesine kadar. Dağın sadece "kambur" değil, aynı zamanda "sarhoş" olduğu da ortaya çıkıyor:

Pentan üzerindeki Rankine döngüsü 1-2-3-4-5-6-7 eğrisidir. 5-6 - çalışma sıvısının bir türbin veya piston yoluyla genleşmesi. 6-7 - bir ısı eşanjörü aracılığıyla ısı geri kazanımı. Gördüğünüz gibi döngü neredeyse bir dikdörtgen!

Aşırı ısıtılmış buhar nedir? Bu, en yakıcı arzuyla bile yoğunlaşıp sıvıya dönüşemeyen buhardır. Bir örnek ister misiniz? Kuru buz. Atmosfer basıncında karbondioksit gaz (aşırı ısıtılmış buhar) veya katı (kuru buz) olabilir. Onu sıvı bir duruma dönüştürmeye yönelik tüm girişimler başarısız olacaktır. Bunu istemiyor. Bu nedenle, hidrokarbonun sadece bir yakıt değil, aynı zamanda bir ısı motoru için çok iyi bir çalışma sıvısı olduğu ortaya çıktı!

Yani, Freonlar (veya hidrokarbonlar) üzerinde Rankine döngüsünü kullanırsanız, türbinlerdeki çalışma sıvısının yoğunlaşması konusunda endişelenmenize gerek kalmaz. Üstelik, bu döngüyü kapatmak için, genleşme cihazının (bir türbin veya piston) ardından bir ısı eşanjörü inşa ederek freonlardan ısıyı yapay olarak uzaklaştırmak bile gereklidir.

Isı geri kazanımı ve aşırı ısıtılmış pentan buharından seçilmesi sürecinde, bir sonraki çalışma döngüsünü başlatmak için gerekli olan çalışma akışkanının bir sonraki kısmının "serbest" buharlaşması meydana gelir, yani ek ve önemli miktarda harcamaya gerek yoktur. Su durumunda olduğu gibi bu konuda da enerji.

Bu nedenle, organik Rankine çevrimi için iyi bir ısı eşanjörü-reküperatöre sahip olmak daha iyidir ve genişletici (türbin, piston) çok ortalama kalitede olabilir (ve bu nedenle ucuz ve küçük boyutlu olabilir) - böyle olduğu sürece genişletici, pompayı çok fazla çalışma sıvısı pompalamaya zorlamaz.

Üstelik, bir ısı eşanjörü genellikle hareketli veya dönen parçalar içermediğinden, onu iyi yapmak bir pistonlu makine veya türbine göre çok daha kolaydır.

Dolayısıyla sonuç olarak şunlar söylenebilir:

1. Freonlar, düşük kaynama noktaları nedeniyle temelde ısıtıcıların (bu çok önemli!) ve soğutucuların (bu Rusya için çok önemli!) çok daha düşük sıcaklıklarıyla çalışabilir.
2. Freonlar, ısı motorlarının çalışma parçaları içindeki çalışma sıvısının yoğunlaşmasıyla sorun yaratmaz.
3. Freonlar, ısı motorlarının ucuz, basit ve küçük boyutlara kolayca ölçeklenebilmesini mümkün kılar.

Teoriyi bitirdikten sonra bir sonraki materyalde uygulamaya geçiyoruz. Güneşli İsrail'i, sisli Alaska'yı ve Gazprom şirketinin 5 nükleer güç ünitesini öğreniyoruz. ;)