Бинарные циклы, парогазовый цикл

Термический КПД цикла Карно определяется выражением

Как отмечалось ранее, невысокая критическая температура воды не позволяет достичь приемлемых значений термического КПД. В то же время сравнительно умеренное разрежение при отводе теплоты в конденсаторе паротурбинной установки позволяет осуществить этот процесс при минимально возможных температурах, близких к температуре окружающей среды. Таким образом, свойства воды удовлетворительны при отводе теплоты в цикле и не позволяют осуществить цикл Карно с высокими значениями КПД из-за невысокой температуры изотермического подвода теплоты в процессе парообразования.

Рабочих тел с приемлемыми свойствами и в верхней, и нижней частях цикла не существует. Увеличить эффективность паросиловой установки можно, комбинируя рабочие тела с высокой критической температурой и температурой насыщения, близкой к температуре окружающей среды, при умеренно низких давлениях (таким рабочим телом, как было сказано выше, является вода). Одним из таких циклов является бинарный, его схема приведена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1. Схема бинарного цикла

Желтым цветом на рисунке изображен парогенератор для жидкости с высокой температурой, синим – турбина насыщенного пара для этого рабочего тела, конденсация которого после турбины происходит в теплообменнике при температурах, достаточных для перегрева водяного пара до достаточно высоких температур (350–[U8] 400° С). Таким образом, бинарный цикл состоит из двух циклов Ренкина, расчет которых мы рассматривали в предыдущих лекциях. Здесь необходимо учитывать соотношение между расходами рабочих тел, которое можно определить из теплового баланса теплообменника. Проект такой пилотной установки был осуществлен в 20-х годах прошлого века и имел термический кпд ~49%[U9]. Однако серийными такие установки не могли быть, поскольку рабочим телом с высокой критической температурой (1640 ⁰С) была ртуть, использование которой невозможно из-за ее токсичности. Идея комбинирования рабочих тел с разными свойствами нашла свое применение в цикле парогазовой установки. Этот цикл отличается от бинарного лишь тем, что высокотемпературный подвод теплоты осуществляется в цикле газотурбинной установки (при температурах продуктов сгорания перед газовой турбиной до 1300⁰ С, в то время как температура водяного пара перед турбиной по конструкционным соображениям не превышает 550 ⁰С). В настоящее время такие комбинированные циклы широко используются при производстве электрической энергии на тепловых электростанциях, увеличивая их кпд от 35–40 до 55–60 %.