Кпд тепловых турбин: Паровая турбина – действие, КПД по типам

Содержание

Паровая турбина – действие, КПД по типам

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 171.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 171.

Тепловые двигатели преобразуют внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу. Паровые турбины, наряду с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), являются самыми распространенными типами тепловых двигателей. Рассмотрим принцип действия паровой турбины и области применения этого устройства.

Что такое тепловой двигатель

В любом тепловом двигателе должны присутствовать следующие части: рабочее тело, нагреватель и холодильник.

Рис. 1. Схема теплового двигателя

Нагреватель, разогретый до температуры T1, передает теплоту Q1 рабочему телу (пару), которое производит работу А (вращает турбину или приводит в движение поршень ДВС). Часть тепла поглощается холодильником, температура которого Т2 $$ η_{max} = 1 – {T_2\over T_1} $$

Из этой формулы видно, что даже для идеального двигателя КПД ηmax Как устроена тепловая электростанция

Паровые турбины ставятся на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. На станциях циркулирует одна и та же вода. Она превращается в пар (рабочее тело) в котле (нагревателе), который нагревается топливом (углем, газом, ядерным топливом). Насыщенный пар производит работу, вращая турбину, приводящую в движение генератор электрического тока. В результате, внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию вращения турбины, и далее в электрическую энергию. Далее пар попадает в холодильник (конденсатор), охлаждается проточной водой, конденсируется и снова направляется в нагреватель (котел).

Рис. 2. Как работает тепловая электростанция

На наземном транспорте паровые турбины практически не применяются, т.к. для создания холодильника пришлось бы вместе с полезными грузами перевозить большой объем воды в качества “балласта”, что привело бы к значительному увеличению размеров автомобилей, их веса, расхода топлива и т.д. Понятно, что на морских и речных судах нет необходимости возить с собой огромный запас воды для охлаждения, поэтому паровые турбины, начиная с XIX века, обеспечивают работу главных двигателей морских транспортных средств.

Принцип действия паровой турбины

Турбина состоит из металлического цилиндра, внутри которого находится вал (1) с закрепленными на нем рабочими колесами (дисками) (2). На дисках находятся металлические лопатки особой, изогнутой формы. Между рабочими колесами размещены трубчатые сопла (3), из которых с большой скоростью вырываются струи горячего пара, оказывающие мощное давления на лопатки. Температура пара имеет температуру близкую к 600⁰С. Внутри турбины пар расширяется, охлаждается и далее, после конденсации, с помощью насоса направляется снова в котел-нагреватель.

Рис. 3. Как устроена паровая турбина

Давление пара на лопатки заставляет вращаться вал турбины — производится работа. Когда вал турбины соединен с валом электрогенератора (ротором), вырабатывается электрический ток. Частота вращения вала достигает 3000 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения, в современных турбинах используется не один, а большое количество дисков, закрепленных на общий вал. Пар оказывает давление на лопатки сразу всех дисков, что повышает эффективность турбины.

Заметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость ее может изменяться в широких пределах. Еще одним преимуществом турбин является отсутствие толчков, которые получаются в ДВС при движении поршней взад и вперед. КПД современных турбоагрегатов может достигать 40-50%, а мощность — 1500 МВт.

Первооткрывателем принципа работы паровой турбины считается греческий математик Герон Александрийский (1 век н.э.), предложивший использовать реактивные свойства горячего пара для вращения металлического шара. Дальнейшее развитие и совершенствование этой идеи продолжалось вплоть до конца XIX века. Ученые и инженеры многих стран в разное время внесли свой вклад в совершенствование конструкции этого двигателя. Так, например, многоступенчатую турбину, предназначенную для вращения ротора электрогенератора, запатентовал в 1885 г. английский механик Чарльз Парсонс. А конструкцию сопла для паровых турбин, позволяющего получать сверхзвуковые скорости газа, предложил шведский инженер Густаф де Лаваль в 1890 г. Теперь это сопло так и называется — “сопло Лаваля”.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что паровая турбина — это один из типов тепловых двигателей, в которых внутренняя энергия насыщенного пара, нагретого до высокой температуры, переходит сначала в механическую (кинетическую) энергию, а потом может быть преобразована в электрическую энергию. Паровые турбины применяются на большинстве тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях для генерации электроэнергии, а также на морских и речных судах в качестве основных двигателей.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Анна Окунцова
10/10

Оценка доклада

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 171.

А какая ваша оценка?

Принцип действия и КПД тепловых двигателей. Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

Нагреватель
Рабочее тело
Холодильник

Рис.

2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово.

То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).

Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе

Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Ротор паровой турбины

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Схема паровой турбины

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.

Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
Что называют КПД теплового двигателя?
Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

Задание 2. Решить задачи.
☝ При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н. Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см.
☝ Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%.

ИНТЕРЕСНО

1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.

2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.
Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.

К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники:

http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw

🎓 Паровая турбина. КПД теплового двигателя — презентация на Slide-Share.ru

Первый слайд презентации

Паровая турбина. КПД теплового двигателя

Изображение слайда

Слайд 2

это тепловой двигатель непрерывного действия, в котором потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу. Паровая турбина (записать)

Изображение слайда

Слайд 3: Turbo (лат.) – вихрь середина 19 века (записать)

Изображение слайда

Слайд 4: Схема устройства паровой турбины (схематично изобразить)

1 – сопло 2 – лопатки 3 – пар 4 – диск 5 – вал

Изображение слайда

Слайд 5: ПРИМЕНЕНИЕ:

Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, в качестве двигателей на морском, наземном и воздушном транспорте, как составная часть гидродинамической передачи. Устройство, подобное турбине, но имеющее привод вращения лопаток от вала — компрессор или насос. Самая мощная в мире электростанция находится в Южной Америке, на реке Парана. Её 18 турбин вырабатывают 12 600 миллионов ватт/час электроэнергии.

Изображение слайда

Слайд 6

недостатки работы паровой турбины скорость вращения не может меняться в широких пределах долгое время пуска и остановки дороговизна паровых турбин низкий объем производимого электричества, в соотношении с объемом тепловой энергии. преимущества работы паровой турбины вращение происходит в одном направлении; отсутствуют толчки, как при работе поршня работа паровых турбин возможна на различных видах топлива: газообразное, жидкое, твердое высокая единичная мощность

Изображение слайда

Слайд 7

Рабочее тело Нагреватель Холодильник Q 1 Q 2 А п = Q 1 — Q 2 ( Схема изобразить вместе с формулой )

Изображение слайда

Слайд 8: Формула КПД ( з аписать)

А п – Полезная работа; Q 1 – Кол-во теплоты, полученное от нагревателя; Q 2 – Кол-во теплоты отданное холодильнику.

Изображение слайда

Слайд 9: Коэффициент полезного действия (записать) (КПД)

Не может быть больше 1 (или 100%) КПД паровой машины ≈ 8–12% Паровой или газовой турбины > 3 0% ДВС ≈ 20-40%

Изображение слайда

Слайд 10

Пути повышения КПД паровой турбины 1) создание более совершенной теплоизоляции котла; 2) повышение температуры в котле, а также увеличение давления пара

Изображение слайда

Слайд 11: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Повышение средней температуры атмосферы Изменение климата Образование «парникового эффекта» Исчезновение отдельных видов животных, птиц, растений Выпадение кислотных дождей

Изображение слайда

Слайд 12: Альтернативные источники энергии

Тепловые двигатели: 25,5 млрд т оксидов углерода 190 млн т оксидов серы 65 млн т оксидов азота 1,4 млн т хлорфторуглерода Свинец, кадмий, медь, никель и др. Солнечная энергия Электроэнергия Энергия магнитного поля Энергия ветра

Изображение слайда

Слайд 13: Разработки Густафа де Лаваля

В 1883 году шведу Густафу де Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того, чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого.

Изображение слайда

Слайд 14: Из истории

Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Изображение слайда

Слайд 15: Разработки Чарлза Парсонса

В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях.

Изображение слайда

Последний слайд презентации: Паровая турбина. КПД теплового двигателя: Домашнее задание:

§ 23, 24; Стр. 70 Упр. 17 №1,2

Изображение слайда

Тепловой КПД паровой турбины

Как правило, большинство атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатые конденсационные паровые турбины . На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВтэ электроэнергии необходимо 3000 МВт тепловой энергии от реакции деления.

Сверхкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при сверхкритическом давлении (т.е. более 22,1 МПа) имеют КПД около 43% .

Тепловой КПД простого цикла Ренкина и выраженный в удельных энтальпиях будет:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД можно использовать данные из паровых таблиц .

В общем случае тепловой КПД , η _th , любой тепловой машины определяется как отношение работы, которую она совершает, W , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q _H .

Термическая эффективность , η _TH , представляет фракцию HEAT , Q _H , с _{7 H} . Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q _H , должно равняться произведенной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна в виде отработанного тепла Q _C в окружающую среду. Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД следующим образом:

Это очень полезная формула, но здесь мы выражаем тепловой КПД, используя первый закон, через энтальпию.

Как правило, большинство атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатые конденсационные паровые турбины . В этих турбинах в ступень высокого давления поступает пар (этот пар является почти насыщенным паром – x = 0,995 – точка С на рисунке; 6 МПа ; 275,6°С) из парогенератора и выбрасывает его в влагоотделитель-подогреватель (точка D). Во избежание повреждения лопаток паровой турбины паром низкого качества пар должен быть подогрет повторно. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F). Отработанный пар затем конденсируется в конденсаторе. Давление значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%. Цикл Ренкина – Ts-диаграмма

Схема паровой турбины типичного PWR мощностью 3000 МВт.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и питательные насосы составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно 9.0013

= 1 – T _{холодный} /T _{горячий} = 1 – 315/549 = 42,6%

где температура горячего резервуара 275,6°С (548,7К), температура холодного резервуара 41,5° С (314,7К). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы как-то необратимы. Они не выполняются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и потери тепла вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета теплового КПД простейшего цикла Ренкина (без повторного нагрева) инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии , а не в терминах внутренней энергии.

Первый закон с точки зрения энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp представляет собой работу потока. Настоящая работа, Вдп , используется для открытых проточных систем , таких как турбина или насос , в которых имеется «dp» , т. е. изменение давления. В контрольной громкости изменений нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии . При постоянном давлении изменение энтальпии равно энергии , передаваемой из окружающей среды при нагревании:

Изобарический процесс (Vdp = 0):

DH = DQ → Q = H ₂ — H ₁

При постоянной энтропии , то есть, в процессе ISENTROPIC, Equalpry Equalpry 444444444444444443 Equals Работа Сделано по системе или по системе:

Изонтропический процесс (DQ = 0):

DH = VDP → W = H ₂ — H ₁ 9004 9003 — H ₁ 9000 9003 ₁ 9003 ₁ 9003 0014 Очевидно, она будет очень полезна при анализе обоих термодинамических циклов, используемых в энергетике, т. е. в циклах Брайтона и Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или конкретную переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе чаще, чем саму энтальпию, и она приводится в таблицах пара вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Тепловой КПД такого простого цикла Ренкина в единицах удельной энтальпии будет:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД вы можете использовать данные из паровых таблиц .Takaishi, Tatsuo; Нумата, Акира; Накано, Рёдзи; Сакагути, Кацухико (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF). Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Проверено 4 февраля 2011 г. .

Тепловой КПД паровой турбины

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около одна треть (33%), поэтому 3000 МВтч тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВтэ электроэнергии. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа ; 275,6°С). Более высокий КПД может быть достигнут за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива. Субкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие под критическое давление (т. е. ниже 22,1 МПа) может обеспечить эффективность 36–40%.

Эффективность двигателей в энергетике

Преобразование тепловой энергии океана (ПТЭО). OTEC — это сложная тепловая машина, которая использует разницу температур между более холодными глубинными и более теплыми поверхностными водами для запуска турбины низкого давления. Поскольку разница температур низкая , около 20°C, его тепловая эффективность также очень низкая, около 3% .
В современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около одной трети (33%), поэтому 3000 МВт тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВт электроэнергии. Более высокий КПД может быть достигнут за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива.
Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, работающие при критическом давлении (т. е. ниже 22,1 МПа), могут достигать КПД 36–40%.
Сверхкритические водо-водяные реакторы считаются многообещающим достижением для атомных электростанций из-за их высокого теплового КПД (~45 % по сравнению с ~33 % для существующих легководных реакторов).
Сверхкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при сверхкритическом давлении (т. е. выше 22,1 МПа), имеют КПД около 43% . Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритических» давлениях (т.е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев для достижения примерно 48% КПД.
Современные Газотурбинные установки (ПГУ) с комбинированным циклом, в которых термодинамический цикл состоит из двух циклов электростанции (например, цикл Брайтона и цикл Ренкина), можно достичь теплового КПД около 55% , в отличие от однотактной паровой электростанции, эффективность которой ограничена примерно 35-45%.

Причины неэффективности

Как уже говорилось, эффективность может варьироваться от 0 до 1. Каждая тепловая машина так или иначе неэффективна. Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами.

Необратимость процессов . Существует общий теоретический верхний предел эффективности преобразования тепла в работу в любой тепловой машине. Этот верхний предел называется эффективностью Карно . Согласно принципу Карно , ни один двигатель не может быть эффективнее реверсивного двигателя ( Тепловая машина Карно ), работающая между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами. Например, когда в горячем резервуаре Т _{горячая} 400°С (673К) и Т _{холодная} около 20°С (293К), максимальная (идеальная) эффективность будет: = 1 – Т _{холодная} / Т _{горячий} = 1 – 293/673 = 56%. Но все реальные термодинамические процессы так или иначе необратимы , и они не происходят бесконечно медленно. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их эффективности, из-за присущей им необратимости цикла теплового двигателя, который они используют.
Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах или реальных тепловых двигателях неэффективность общего цикла частично связана с потерями отдельных компонентов. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение , потери тепла, потери в процессе сгорания вызывают дополнительные потери эффективности.
Неэффективность конструкции . Наконец, последний и важный источник неэффективности — это идет на компромисс , сделанный инженерами при проектировании теплового двигателя (например, электростанции). Они должны учитывать стоимость и другие факторы при проектировании и эксплуатации цикла. В качестве примера рассмотрим конструкцию конденсатора на ТЭЦ. В идеале пар, выпускаемый в конденсатор, не должен иметь переохлаждения . Но настоящие конденсаторы предназначены для переохлаждения жидкости на несколько градусов Цельсия, чтобы избежать кавитации на всасывании в конденсатных насосах. Но это переохлаждение увеличивает неэффективность цикла, поскольку для повторного нагрева воды требуется больше энергии.

Повышение теплового КПД – паровая турбина

Существует несколько способов повышения теплового КПД цикла Ренкина. Предполагая, что максимальная температура ограничена давлением внутри корпуса реактора, эти методы следующие:

Давление в котле и конденсаторе

энергия, добавляемая за счет теплопередачи, увеличивается и/или средняя температура, при которой отводится энергия, уменьшается. Это общая черта всех термодинамических циклов.

Давление в конденсаторе Уменьшение давления на выходе из турбины увеличивает сеть за цикл, но также снижает качество пара на выходе.

Случай снижения средней температуры сброса энергии требует снижения давления внутри конденсатора (т.е. снижения температуры насыщения). Наименьшим допустимым давлением конденсатора является давление насыщения, соответствующее температуре окружающей среды (т. е. абсолютное давление 0,008 МПа, что соответствует 41,5°С). Цель поддержания минимального практического давления на выходе из турбины является основной причиной включения конденсатора в тепловую электростанцию. Конденсатор обеспечивает вакуум, который максимизирует энергию, извлекаемую из пара, что приводит к значительному увеличению сетевого и теплового КПД. Но и этот параметр (давление конденсатора) имеет свои инженерные ограничения:

Уменьшение давления на выходе из турбины снижает качество пара (или долю сухости). В какой-то момент расширение необходимо прекратить, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины некачественным паром.
Снижение давления на выходе турбины значительно увеличивает удельный объем отработанного пара, что требует огромных лопаток в последних рядах ступени низкого давления паровой турбины.

В типичных турбинах с мокрым паром отработавший пар конденсируется в конденсаторе при давлении значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа, что соответствует 41,5°C). Этот пар находится в частично сконденсированном состоянии (точка F), обычно его качество близко к 9.0%. Обратите внимание, что всегда существует разница температур (около ΔT = 14°C) между температурой конденсатора и температурой окружающей среды, которая возникает из-за конечных размеров и эффективности конденсаторов. Типичные параметры конденсатора конденсационных турбин

Давление в котле В результате повышение давления в котле ограничивается материалом корпуса реактора.

В случае повышения средней температуры, при которой происходит подвод энергии за счет теплопередачи, требуется либо перегрев получаемого пара, либо повышение давления в котле (парогенераторе). Перегрев не характерен для атомных электростанций.

Как правило, большинство атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатые конденсационные паровые турбины . В этих турбинах в ступень высокого давления поступает пар (это пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке; 6 МПа ; 275,6°С). Поскольку ни один из парогенераторов не имеет КПД на 100%, всегда существует разница температур между температурой насыщения (вторичная сторона) и температурой теплоносителя первого контура. Температурные градиенты в типичном парогенераторе PWR.

В типичном реакторе с водой под давлением горячий теплоноситель первого контура ( вода 330°C; 626°F ) закачивается в парогенератор через вход первого контура. Это требует поддержания очень высокого давления, чтобы вода оставалась жидкой. Для предотвращения закипания теплоносителя первого контура и обеспечения запаса по переохлаждению (разница между температурой компенсатора давления и максимальной температурой в активной зоне) для PWR типичны давления около 16 МПа . Корпус реактора является ключевым компонентом, ограничивающим тепловую эффективность каждой атомной электростанции, поскольку корпус реактора должен выдерживать высокое давление. Типичные параметры на входе в конденсационные турбины реакторов PWR.

Перегрев и повторный нагрев

Что касается цикла Карно, тепловой КПД имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения средней температуры, при которой энергия добавляется за счет теплопередачи. Это общая черта всех термодинамических циклов.

Одним из возможных способов является перегрев или повторный нагрев рабочего пара. Оба процесса очень похожи по своей сути:

Перегреватель – повышает температуру пара выше температуры насыщения
Подогреватель – удаляет влагу и повышает температуру пара после частичного расширения.

Процесс перегрева является единственным способом повысить пиковую температуру цикла Ренкина (и повысить эффективность) без увеличения давления в котле. Это требует добавления другого типа теплообменника, называемого пароперегревателем , который производит перегретый пар . Цикл Ренкина с перегревом ступени высокого давления требует более высокой температуры в парогенераторе.

Перегретый пар или перегретый пар — это пар, температура которого выше его точки кипения при абсолютном давлении, при котором измеряется температура.

Повторный нагрев позволяет отдавать больше тепла при температуре, близкой к пиковой температуре цикла. Это требует добавления другого типа теплообменника, называемого подогревателем . Использование подогревателя предполагает разделение турбины, т. е. использование многоступенчатой турбины с подогревателем. Было замечено, что больше двух стадий повторного нагревания не требуется, так как следующая стадия увеличивает эффективность цикла только наполовину по сравнению с предыдущей стадией.

Ступени высокого и низкого давления турбины обычно находятся на одном валу для привода общего генератора, но имеют разные корпуса. Поток извлекается с помощью подогревателя после частичного расширения (точка D), проходит обратно через теплообменник, чтобы снова нагреть его до пиковой температуры (точка E), а затем направляется в турбину низкого давления. Затем расширение завершается в турбине низкого давления от точки E до точки F. Цикл Ренкина с повторным нагревом и перегревом ступени низкого давления.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении увеличивает как температуру, так и удельный объем. Процесс перегрева водяного пара на диаграмме T-s представлен на рисунке между состоянием Е и кривой насыщения пара. Как также видно, турбины с влажным паром (например, используемые на атомных электростанциях) используют перегретый пар, особенно на входе ступеней низкого давления. Как правило, большинство атомных электростанций эксплуатируют многоступенчатые конденсационные турбины с влажным паром (ступень высокого давления работает на насыщенном паре). В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (это пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке) из парогенератора и выбрасывает его в влагоотделитель-подогреватель (точка D). Пар должен быть подогрет или перегрет во избежание повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Высокое содержание капель воды может вызвать быстрое столкновение и эрозию лопастей, что происходит при попадании на лопасти конденсата воды. Для предотвращения этого в паропроводе, ведущем к турбине, установлены дренажи конденсата. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F). Отработанный пар находится под давлением значительно ниже атмосферного, и, как видно из рисунка, пар находится в частично сконденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%. Тем не менее, это намного более высокое качество пара, чем без повторного нагрева. Соответственно, перегрев также способствует решению проблемы низкого качества пара на выходе из турбины.

Поскольку температура теплоносителя первого контура ограничена давлением внутри реактора, пароперегреватели (кроме пароперегревателя-влагоотделителя) на атомных электростанциях не используются и обычно работают с одной турбиной мокрого пара.

Регенерация тепла

Значительного повышения теплового КПД паротурбинных электростанций можно добиться за счет снижения количество топлива которое необходимо добавить в котел. Это можно сделать путем передачи тепла (частично расширившегося пара) от определенных секций паровой турбины, температура которого обычно намного выше температуры окружающей среды, к питательной воде. Этот процесс известен как регенерация тепла, , и для этой цели могут использоваться различные регенераторы тепла . Иногда инженеры используют термин экономайзер , , который представляет собой теплообменник, предназначенный для снижения потребления энергии, особенно при предварительном нагреве 9.0003 жидкость .

Как видно из статьи «Парогенератор», питательная вода (второй контур) на входе в парогенератор может иметь около ~230°С (446°F) и далее нагревается до температуры кипения эту жидкость (280°C; 536°F; 6,5МПа) и испарили. Но конденсат на выходе из конденсатора может иметь около 40°C , поэтому регенерация тепла в типичном PWR значительна и очень важна: более высокая температура.

Регенерация тепла вызывает снижение массового расхода через ступень низкого давления паровой турбины, тем самым повышая КПД изэнтропической турбины низкого давления. Обратите внимание, что пар имеет очень высокий удельный объем на последней стадии расширения.
Регенерация тепла приводит к повышению качества рабочего пара, так как дренажи расположены на периферии корпуса турбины, где повышенная концентрация капель воды.

Регенерация и рекуперация тепла

В целом, теплообменники , используемые в регенерации, могут быть классифицированы либо как регенераторы , либо как рекуператоры .

Регенератор представляет собой теплообменник, в котором тепло горячей жидкости периодически накапливается в теплоаккумулирующей среде, прежде чем оно будет передано холодной жидкости. Он имеет единственный путь потока, через который попеременно проходят горячие и холодные жидкости.

Рекуператор представляет собой теплообменник с отдельных путей потока для каждой жидкости по своим каналам, а тепло передается через разделительные стенки. Рекуператоры (например, экономайзеры) часто применяются в энергетике для повышения общего КПД термодинамических циклов, например, в газотурбинном двигателе. Рекуператор передает часть отходящего тепла выхлопных газов сжатому воздуху, тем самым предварительно нагревая его перед подачей в камеру сгорания. Многие рекуператоры спроектированы как противоточные теплообменники .

Сверхкритический цикл Ренкина

Сверхкритический цикл Ренкина
Как уже говорилось, тепловой КПД можно повысить «просто» за счет повышения температуры пара, поступающего в турбину. Но эта температура ограничивается металлургическими ограничениями, налагаемыми материалами и конструкцией корпуса реактора и первого трубопровода. Корпус реактора и трубопроводы первого контура должны выдерживать высокие давления и большие напряжения при повышенных температурах. Но в настоящее время улучшенные материалы и методы изготовления позволили значительно увеличить максимальное давление с соответствующим увеличением теплового КПД. В настоящее время тепловые электростанции рассчитаны на работу на сверхкритический цикл Ренкина (т. е. давление пара превышает критическое давление воды 22,1 МПа, а температура на входе в турбину превышает 600 °C). Сверхкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при сверхкритическом давлении , имеют КПД около 43% . Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритических» давлениях (т. е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев для достижения примерно 48% КПД.
Сверхкритический водяной реактор – SCWR Типичные свойства теплоносителя в SCWR.
Сверхкритический цикл Ренкина также является термодинамическим циклом реакторов со сверхкритической водой. Реактор со сверхкритической водой (SCWR) представляет собой концепцию реактора поколения IV, который работает при сверхкритическом давлении (т. е. выше 22,1 МПа). Термин сверхкритическая в этом контексте относится к термодинамической критической точке воды 9.0004 (T _CR = 374 °C; p _CR = 22,1 МПа), и его не следует путать с критичностью активной зоны реактора, которая описывает изменения нейтронной популяции в активной зоне реактора.
Для SCWR , был предусмотрен прямоточный паровой цикл , без какой-либо рециркуляции теплоносителя внутри реактора. Это похоже на кипящие реакторы, пар будет подаваться непосредственно в паровую турбину, а питательная вода из парового цикла будет подаваться обратно в активную зону.
Кроме того, реактор сверхкритической воды может использовать легкую воду или тяжелую воду в качестве замедлителя нейтронов. Как видно, существует множество конструкций SCWR, но все SCWR имеют ключевую особенность, заключающуюся в использовании воды за пределами термодинамической критической точки в качестве теплоносителя первого контура. Поскольку эта функция позволяет увеличить пиковую температуру , реакторы со сверхкритической водой считаются перспективным усовершенствованием для атомных электростанций из-за их высокий тепловой КПД (~45 % против ~33 % для современных легководных реакторов).
Изэнтропический КПД – турбина, насос
В предыдущих главах мы предполагали, что расширение пара является изэнтропическим, и поэтому мы использовали T _{4, is} в качестве температуры газа на выходе. Эти предположения применимы только к идеальным циклам.
Большинство стационарных устройств (турбины, компрессоры, форсунки) работают в адиабатических условиях, но они не являются действительно изоэнтропическими, а скорее идеализируются как изоэнтропические для целей расчета. Определяем параметры η _T , η _P , η _N , as a ratio реальной работы, совершаемой устройством, к работе устройства при работе в изоэнтропических условиях (в случае турбины). Это соотношение известно как Изэнтропическая эффективность турбины/насоса/форсунки . Эти параметры описывают, насколько эффективно турбина, компрессор или сопло приближаются к соответствующему изэнтропическому устройству. Этот параметр снижает общую эффективность и производительность труда. Для турбин значение η _T обычно составляет от 0,7 до 0,9 (70–90%).
См. также: Изэнтропический процесс.

Изэнтропический процесс является частным случаем адиабатических процессов и является обратимым адиабатическим процессом. Изэнтропический процесс также можно назвать процессом с постоянной энтропией.

Паровая турбина – Задача с решением
Предположим, что цикл Ренкина , один из наиболее распространенных термодинамических циклов на тепловых электростанциях. В этом случае принимают простой цикл без промежуточного подогрева и без конденсации паровой турбины, работающей на насыщенном паре (сухом паре). При этом турбина работает в установившемся режиме при входных условиях 6 МПа, t = 275,6°С, x = 1 (точка 3). Пар выходит из этой ступени турбины при давлении 0,008 МПа, температуре 41,5°С и x = ??? (пункт 4).
Рассчитайте:
паросодержание выходящего пара
разность энтальпий между этими двумя состояниями (3 → 4) соответствует работе, совершаемой паром, Вт _Т .
разница энтальпий между этими двумя состояниями (1 → 2) соответствует работе насосов, W _P .
разность энтальпий между этими двумя состояниями (2 → 3) соответствует чистому теплу, подводимому к парогенератору
термодинамический КПД этого цикла и сравним это значение с КПД Карно
1)
Поскольку мы не зная же качество пара на выходе, мы должны определить этот параметр. Состояние 4 фиксируется давлением p ₄ = 0,008 МПа и тот факт, что удельная энтропия постоянна для изоэнтропического расширения (s ₃ = s ₄ = 5,89 кДж/кг·К для 6 МПа ). Удельная энтропия насыщенной жидкой воды (x=0) и сухого пара (x=1) может быть получена из таблиц пара. В случае влажного пара фактическая энтропия может быть рассчитана с помощью качества пара, x, и удельных энтропий насыщенной жидкой воды и сухого пара:
с ₄ = s _v x + (1 – x ) s _l
where
s ₄ = entropy of влажный пар (Дж/кг К) = 5,89 кДж/кгК
с _v = энтропия «сухого» пара (Дж/кг К) = 8,227 кДж/кг08 МПа (для 0,227 кДж/кг08 МПа)
с _л = энтропия насыщенной жидкой воды (Дж/кг·К) = 0,592 кДж/кг·К (для 0,008 МПа)
Из этого уравнения получаем качество пара: — S _L ) / ( S _V — S _L ) = (5,89 — 0,592) / (8,27 L ) = (5,89 — 0,592) / (8,27 L ) = (5,89 — 0,592) / (8,27 L ) = (5,89 — 0,592) / (8,27 L ) = (5,89 — 0,592) / (8,27 л )
2)
Энтальпия для состояния 3 может быть выбрана непосредственно из паровых таблиц, тогда как энтальпия для состояния 4 должна быть рассчитана с использованием качества пара:
h _{3, v} = 2785 kJ/kg
h _{4, wet} = h _4,v x + (1 – x ) h _4,l = 2576 . 0,694 + (1 – 0,694) . 174 = 1787 + 53.2 = 1840 kJ/kg
Then the work done by the steam, W _T, is
W _T = Δh = 945 kJ/kg
3)
Энтальпия для состояния 1 можно выбрать непосредственно из паровых таблиц:
H _{1, L} = 174 кДж/кг
. и тот факт, что удельная энтропия постоянна для изоэнтропического сжатия (s ₁ = s ₂ = 0,592 кДж/кгК для 0,008 МПа ). Для этой энтропии s ₂ = 0,592 кДж/кгK и p ₂ = 6,0 МПа находим h _{2, переохлаждение} в паровых таблицах для сжатой воды (с использованием интерполяции между двумя состояниями).
H _{2, SUBCOLED} = 179,7 кДж/кг
. Затем работа, выполненная с насосами, W _P,
. P = Δh = 5,7 кДж/кг
4)
Разность энтальпий между (2 → 3), которая соответствует чистому теплу, добавочному в парогенераторе, равна просто:
Q _{Добавить} = H _{3, V} — H _{2, Subcled} — H _{2, Subcled} — H _{2, Subcled} — H _2, — H _{2, — H _{2, — H _{2, — H _.}}}
Обратите внимание, что в этом цикле нет регенерации тепла. С другой стороны, большая часть добавляемого тепла приходится на энтальпию парообразования (т. е. на фазовый переход).
5)
В этом случае парогенераторы, паровые турбины, конденсаторы и питательные насосы составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, установленные второй закон термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно
η _Карно = 1 – T _{холодное} /T 3 7 горячее 8 = 1 – 315/549 = 42,6%
где температура горячего резервуара 275,6°С (548,7 К), температура холодного резервуара 41,5°С (314,7 К).
Термодинамическую эффективность этого цикла можно рассчитать по следующей формуле:
Таким образом,
η _TH = (945 — 5,7) / 2605.3 = 0,361 = 36,1%
13
.
Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
В. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
WSC. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
GRKeepin. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965
Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988.
Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.
Advanced Reactor Physics:
KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Static, American Nuclear Society, Revised edition (1989), ISB N 19: 0-894-48033-2.
К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.
См. выше:
Турбинный генератор
КПД паровой турбины – информация о турбинах
форму следующего уравнения.
Эффективность (ɳ) = Выход / Вход
Идеальная турбина со 100% эффективностью — это та, которая преобразует всю свою входную энергию в выходную работу, не рассеивая энергию в виде тепла или в любой другой форме. Но в реальном мире невозможно построить турбину со 100% КПД из-за трения в деталях турбины, потери тепла и других подобных потерь. В случае паровых турбин следующие факторы определяют общий КПД турбины.
Скорость входящего пара (которая, в свою очередь, зависит от температуры и давления пара)
Угол наклона направляющих лопаток
Угол наклона лопаток на роторе
Радиус ротора
Электрический КПД стандартной паровой турбины электростанций варьируется от до 37 % HHV4 для крупных электростанций, рассчитанных на самый высокий практический годовой коэффициент мощности, до менее 10 % для небольших простых электростанций, которые производят электричество в качестве побочного продукта подачи пара в процессы или районы. системы отопления.
Существует два типа паровых турбин ; импульсная турбина и реактивная турбина. Оба типа паровых турбин имеют разный КПД из-за разных принципов работы, но КПД обоих типов паровых турбин выражается следующим уравнением.
Эффективность (ɳ) = Выполненная работа / Подведенная кинетическая энергия
Здесь подводимая кинетическая энергия полностью зависит от абсолютной скорости пара на входе в паровую турбину, но выполненная работа зависит от множества факторов, включая падение теплосодержания пара внутри турбины, угол наклона направляющих лопаток, особенно на входе в турбину, углы наклона лопаток, относительная скорость пара в турбине и т. д. Из-за всех этих факторов довольно сложно рассчитать работу, совершаемую турбиной, а в некоторых случаях даже невозможно точно рассчитать некоторые факторы, такие как скорость, температура или давление пара.
Существует два способа расчета эффективности использования пара. Эти методы называются эффективностью лопасти (ɳb) и эффективностью ступени (ɳs). Эффективность лопасти рассчитывается с использованием скорости пара, а эффективность ступени рассчитывается путем измерения изменений энтальпии пара. Энтальпия относится к теплосодержанию пара. В обоих случаях важную роль играет угол наклона направляющих лопаток на входе, который обозначается α1. Косинус этого угла играет центральную роль в определении эффективности как импульса, так и реакции паровая турбина .
На следующем рисунке 1 показан график КПД лопаток для обоих типов паровых турбин. Эта цифра указывает на то, что реактивная турбина более эффективна, чем импульсная.
Рисунок 1: КПД лопаток импульсной и реактивной паровой турбины
Максимальный КПД импульсной паровой турбины достигается при нулевом угле наклона входных лопаток, поскольку этот угол обеспечивает минимальное трение за счет уменьшения площади поверхности лопатки. . Также можно соединить несколько турбин последовательно, чтобы максимально использовать энергию пара перед его отправкой обратно в конденсатор. В этом типе схемы метод расчета КПД ступеней работает лучше всего. Здесь важно отметить, что все это обсуждение не включало потери энергии при нагревании воды и конденсации пара. Коммерческие предприятия также рассчитывают эффективность этих операций, чтобы выяснить общую эффективность всей установки.
Различная эффективность паровых турбин
Изэнтропическая эффективность: Это эффективность, которая сравнивает фактическую мощность с идеальной изоэнтропической мощностью для измерения эффективности извлеченной работы.
Электрическая эффективность ТЭЦ : Электрическая эффективность комбинированного производства тепла и электроэнергии измеряет количество котельного топлива, преобразованного в электрическую энергию или электричество. Его можно рассчитать по уравнению
Электрический КПД ТЭЦ = Чистая выработанная электроэнергия/Общее количество топлива в котле
Общий КПД ТЭЦ: Эта эффективность измеряет общую выработку, включая электроэнергию и энергию пара, на котельном топливе. Он рассчитывается по следующей формуле.
Общий КПД ТЭЦ = (Чистое произведенное электричество + Чистый пар для обработки)/Общее количество топлива в котле
Эффективный электрический КПД: Эта эффективность рассчитывается по формуле
(Выходная электрическая мощность паровой турбины) / (Общее количество топлива в котле – (пар для обработки/эффективность котла))
Эквивалентно 3412 БТЕ/кВтч/Нетто-теплопроизводительность и
Чисто-теплоснабжение = (всего подача топлива в котел – топливо, которое потребовалось бы для производства пара для процесса при одинаковом КПД котла/электрической мощности паровой турбины (кВт) формула
Отношение мощность/тепло = Выходная электрическая мощность ТЭЦ (БТЕ)/полезная тепловая мощность (БТЕ)
В следующей таблице 1 приведен список различных рабочих характеристик для различных коммерческих паровых турбин. Эта таблица предназначена для классической паровой/котельной ТЭЦ мощностью 500 кВт, 3 МВт и 15 МВт.
Паротурбинная котельная ТЭЦ Стоимость и эксплуатационные характеристики
Характеристики типичной паровой/котельной ТЭЦ
Новый тепловой двигатель без движущихся частей так же эффективен, как паровая турбина | Новости Массачусетского технологического института
Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловую машину без движущихся частей. Их новые демонстрации показывают, что он преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что лучше, чем у традиционных паровых турбин.
Тепловая машина представляет собой термофотоэлектрический элемент (TPV), аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество. Проект команды может генерировать электроэнергию от источника тепла от 1,900 до 2400 градусов по Цельсию или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.
Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в сильно изолированных банках горячего графита. Когда необходима энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.
С новой ячейкой TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных небольших экспериментах. Они работают над интеграцией частей, чтобы продемонстрировать полностью работающую систему. Оттуда они надеются масштабировать систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемой энергией.
«Термофотоэлектрические элементы стали последним важным шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией, — говорит Асегун Генри, профессор Роберта Н. Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».
Генри и его сотрудники опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature. Соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Алина Лапотин, Кайл Бузницкий, Колин Келсолл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерии Форда и глава факультета машиностроения, а также Кевин Шульте и сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.
Преодолеть разрыв
Более 90 процентов электроэнергии в мире вырабатывается из таких источников тепла, как уголь, природный газ, ядерная энергия и концентрированная солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.
В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов тепла в электричество, при этом около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день. Но механизм зависит от движущихся частей, температура которых ограничена. Источники тепла с температурой выше 2000 градусов по Цельсию, такие как система тепловых батарей, предложенная Генри, были бы слишком горячими для турбин.
В последние годы ученые изучают твердотельные альтернативы — тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могут эффективно работать при более высоких температурах.
«Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку у них нет движущихся частей», — говорит Генри. «Они просто сидят и надежно генерируют электроэнергию».
Термофотоэлектрические элементы предложили один экспериментальный путь к твердотельным тепловым двигателям. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону, где электрон затем может провести, и, таким образом, генерировать электричество — без движения роторов или лопастей.
На сегодняшний день эффективность большинства ячеек TPV составляет всего около 20 процентов, а рекордная — 32 процента, поскольку они изготовлены из материалов с относительно узкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные низкоэнергетические фотоны и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.
Ловля света
В своей новой конструкции TPV Генри и его коллеги стремились захватывать фотоны с более высокой энергией из более высокотемпературного источника тепла, тем самым более эффективно преобразовывая энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с большей шириной запрещенной зоны и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.
Ячейка изготовлена из трех основных областей: сплава с высокой шириной запрещенной зоны, который находится поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой захватывает фотоны с самой высокой энергией источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, захватываются вторым и преобразуются для добавления к генерируемому напряжению. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются в виде потерянного тепла.
Команда проверила эффективность ячейки, поместив ее над датчиком теплового потока — устройством, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергали клетку воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы или температуру и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым им теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.
«Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей», — говорит Генри.
Клетка в экспериментах размером около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей масштаба сети ячейки TPV должны будут масштабироваться примерно до 10 000 квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию от огромных банков хранимых данных. солнечная энергия. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.
Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.
Поделиться этой новостной статьей:
Бумага
Статья: «Теплофотоэлектрическая эффективность 40%»
Упоминания в прессе
Gizmodo
Исследователи из Массачусетского технологического института создали высокоэффективный термофотоэлектрический элемент, который преобразует входящие фотоны в электричество, сообщает Кевин Херлер для Gizmodo.
No related posts.