Jump to content

Транскритический цикл

Транскритический цикл — это замкнутый термодинамический цикл , в котором рабочая жидкость проходит как докритическое , так и сверхкритическое состояния. В частности, для энергетических циклов рабочая жидкость сохраняется в жидкой области во время фазы сжатия и в паровых и/или сверхкритических условиях во время фазы расширения. Ультрасверхкритический паровой цикл Ренкина представляет собой широко распространенный транскритический цикл в области производства электроэнергии из ископаемого топлива , где в качестве рабочего тела используется вода. [1] Другие типичные применения транскритических циклов для выработки электроэнергии представлены органическими циклами Ренкина . [2] которые особенно подходят для использования низкотемпературных источников тепла, таких как геотермальная энергия , [3] приложения для рекуперации тепла [4] или отходы на энергетические станции. [5] Что касается докритических циклов, то в транскритическом цикле по определению используются более высокие коэффициенты давления , что в конечном итоге обеспечивает более высокую эффективность для большинства рабочих жидкостей . Учитывая тогда также сверхкритические циклы как действительную альтернативу транскритическим циклам, последние циклы способны достигать более высоких удельных работ из-за ограниченной относительной важности работы сжатия. [6] Это свидетельствует об исключительном потенциале транскритических циклов с целью производства наибольшей мощности (измеримой с точки зрения удельной работы цикла) с наименьшими затратами (измеряемыми с точки зрения затраченной энергии на сжатие рабочего тела).

Если в одноуровневых сверхкритических циклах оба уровня давления находятся выше критического давления рабочего тела, то в транскритических циклах один уровень давления выше критического давления, а другой ниже. В области холодильного оборудования диоксид углерода CO 2 все чаще рассматривается как хладагент . [7] [8] [9] [10]

Транскритические условия рабочей жидкости

[ редактировать ]
Фазовая диаграмма обычной жидкости
TQ-диаграмма подвода тепла к докритическому и транскритическому источнику холода

В закритических циклах давление рабочей жидкости на выходе из насоса превышает критическое давление, а условия на входе близки к давлению насыщенной жидкости при заданной минимальной температуре.

Во время фазы нагрева, которую обычно считают изобарным процессом , рабочая жидкость преодолевает критическую температуру , переходя, таким образом, из жидкости в сверхкритическую фазу без возникновения какого-либо процесса испарения , что является существенной разницей между докритическими и транскритическими циклами. [11] Из-за этой значительной разницы в фазе нагрева впрыск тепла в цикл значительно более эффективен с точки зрения второго закона , поскольку средняя разница температур между горячим источником и рабочим телом уменьшается. [12]

Как следствие, максимальные температуры, достигаемые холодным источником, могут быть выше при фиксированных характеристиках горячего источника. Следовательно, процесс расширения может быть осуществлен с использованием более высоких степеней давления, что обеспечивает более высокую выработку энергии. Современные ультрасверхкритические циклы Ренкина могут достигать максимальных температур до 620°C благодаря оптимизированному процессу подвода тепла. [13]

Характеристика энергетического цикла

[ редактировать ]
Ts-диаграммы докритического (желтый), закритического (синий) и сверхкритического (красный) энергетических циклов
Схема электростанции с транскритическими энергетическими циклами (вверху слева), сверхкритическими энергетическими циклами (вверху справа), докритическими энергетическими циклами (внизу)

Как и в любом энергетическом цикле, наиболее важным показателем его производительности является тепловой КПД . Термический КПД транскритического цикла рассчитывается как:

где — тепловая мощность цикла, обеспечиваемая либо сжиганием , , либо теплообменником и это мощность, производимая в цикле.

Произведенная мощность считается суммой произведенной мощности в процессе расширения рабочего тела и мощности, потребляемой на этапе сжатия .

Типичная концептуальная конфигурация транскритического цикла использует один нагреватель. [14] [15] благодаря отсутствию резкого перехода фазы из одного состояния в другое, при давлении выше критического. В докритических циклах вместо этого процесс нагрева рабочего тела происходит в трех разных теплообменниках : [16] в экономайзерах рабочее тело нагревается (оставаясь в жидкой фазе) до состояния, приближающегося к состоянию насыщенной жидкости. Испарители осуществляют процесс испарения жидкости (обычно до состояния насыщенного пара), а в пароперегревателях рабочая жидкость нагревается от состояния насыщенного пара до перегретого пара . Более того, использование циклов Ренкина в качестве нижних циклов в контексте комбинированных парогазовых циклов сохраняет конфигурацию первых как всегда подкритическую. Следовательно, будет несколько уровней давления и, следовательно, несколько испарителей, экономайзеров и пароперегревателей, что существенно усложняет процесс впрыска тепла в цикл. [17]

Характеристика процесса сжатия

[ редактировать ]
Схема насоса
Ступень компрессора GE J79

В рамках адиабатических и изэнтропических процессов, например тех, которые теоретически связаны с процессами накачки в транскритических циклах, разница энтальпии как при сжатии, так и при расширении рассчитывается как:

Следовательно, рабочее тело с меньшим удельным объемом (следовательно, более высокой плотностью ) неизбежно может быть сжато, затрачивая меньшую механическую работу, чем тело с низкой плотностью (более газообразное ).

В транскритических циклах очень высокие максимальные давления и условия жидкости на протяжении всей фазы сжатия обеспечивают более высокую плотность и меньший удельный объем по сравнению с сверхкритическими аналогами. Учитывая различные физические фазы, на которых происходят процессы сжатия, в транскритических и сверхкритических циклах используются насосы (для жидкостей) и компрессоры на этапе сжатия (для газов) соответственно.

Характеристика процесса расширения

[ редактировать ]
Традиционная классификация расширений с чистыми рабочими жидкостями
Лопасти Турбины

На стадии расширения рабочего тела в закритических циклах, как и в докритических, выброс рабочего тела может осуществляться как во влажном, так и в сухом состоянии.

Типичными сухими расширениями являются те, в которых используются органические или другие нетрадиционные рабочие жидкости, которые характеризуются немалой молекулярной сложностью и высокой молекулярной массой .

Этап расширения происходит в турбинах : в зависимости от применения и паспортной мощности, вырабатываемой электростанцией, как осевые, так и радиальные турбины во время расширения жидкости могут эксплуатироваться . Осевые турбины способствуют более низкой скорости вращения и более высокой выработке мощности, тогда как радиальные турбины подходят для ограниченной вырабатываемой мощности и высокой скорости вращения.

Органические циклы являются подходящим выбором для применений с низкой энтальпией и характеризуются более высокой средней плотностью в детандерах, чем те, которые имеют место в транскритических паровых циклах: по этой причине обычно проектируются лопатки с низкой высотой. [18] и объемный расход ограничивается относительно небольшими значениями. С другой стороны, в сценариях крупномасштабного применения лопатки расширителя обычно имеют высоту, превышающую один метр, и это используется в паровых циклах. Здесь фактически плотность жидкости на выходе последней ступени расширения существенно мала.

В целом конкретная работа цикла выражается так:

Несмотря на то, что удельная работа любого цикла сильно зависит от фактического рабочего тела, рассматриваемого в цикле, ожидается, что транскритические циклы будут демонстрировать более высокие удельные работы, чем соответствующие докритические и сверхкритические аналоги (т. е. в которых используется одно и то же рабочее тело). меньший массовый расход, По этой причине при фиксированных граничных условиях, вырабатываемой мощности и рабочей жидкости в транскритических циклах ожидается чем в других конфигурациях.

Применение в энергетических циклах

[ редактировать ]

Ультрасверхкритические циклы Ренкина

[ редактировать ]
Упрощенная схема угольной электростанции.

За последние десятилетия тепловой КПД циклов Ренкина резко возрос, особенно для крупномасштабных установок, работающих на угле : для этих электростанций применение сверхсверхкритических схем было основным фактором для достижения цели, поскольку более высокая степень сжатия обеспечивает более высокий цикл. эффективность.

Увеличение теплового КПД электростанций, работающих на грязном топливе, стало решающим также для снижения удельных выбросов электростанций, как в отношении парниковых газов , так и загрязняющих веществ, таких как диоксид серы или NOx . В крупномасштабных применениях в ультрасверхкритических циклах Ренкина используется до 10 нагревателей питательной воды , пять на стороне высокого давления и пять на стороне низкого давления, включая деаэратор , что помогает повысить температуру на входе в котел до 300°С. C, что позволяет осуществлять значительный регенеративный предварительный подогрев воздуха , тем самым снижая расход топлива. Исследования наиболее эффективных конфигураций сверхкритических циклов Ренкина (максимальное давление 300 бар, максимальная температура 600 °C и два повторных нагрева) показывают, что такие схемы могут обеспечить эффективность цикла выше 50%, что примерно на 6% выше, чем у докритических конфигураций. [19]

Органические циклы Ренкина

[ редактировать ]
Внутренний вид Plug-and-Play Micro-ORC
Ts Схема докритического и транскритического циклов R134a

Органические циклы Ренкина — это инновационные энергетические циклы, которые обеспечивают хорошие характеристики тепловых источников с низкой энтальпией. [20] и обеспечить конденсацию при давлении выше атмосферного, что позволяет избежать деаэраторов и большой площади поперечного сечения в узлах отвода тепла . Более того, что касается паровых циклов Ренкина , ORC обладает большей гибкостью при работе с малыми мощностями, что обеспечивает значительную компактность.Типичные области применения ORC: установки по утилизации тепла , геотермальные установки , установки по производству биомассы и электростанции, работающие на отходах .

используются органические жидкости (такие как углеводороды , перфторуглероды , хлорфторуглероды и многие другие). В органических циклах Ренкина в качестве рабочих жидкостей [21] Большинство из них имеют критическую температуру в пределах 100-200°С. [22] по этой причине он идеально адаптируется к транскритическим циклам в низкотемпературных приложениях. [23] Что касается органических жидкостей, то максимальное давление выше критического может более чем вдвое увеличить разницу температур на турбине по сравнению с докритическим аналогом и значительно увеличить как удельную работу цикла, так и эффективность цикла.

Применение в холодильных циклах

[ редактировать ]

Цикл охлаждения , также известный как тепловой насос, представляет собой термодинамический цикл, который позволяет отводить тепло от низкотемпературного источника тепла и отводить тепло в высокотемпературный источник тепла благодаря механическому потреблению энергии. [24] Традиционные холодильные циклы являются докритическими, со стороной высокого давления (где происходит отвод тепла) ниже критического давления. [25]

Вместо этого в инновационных циклах транскритического охлаждения следует использовать рабочую жидкость, критическая температура которой близка к температуре окружающей среды. По этой причине выбор углекислого газа обусловлен его благоприятными критическими условиями. Фактически, критическая точка углекислого газа составляет 31°C, что находится между горячим источником и холодным источником традиционных холодильных установок, что подходит для транскритических применений.

В циклах транскритического охлаждения тепло рассеивается через газоохладитель вместо пароохладителя и конденсатора. [26] как в докритических циклах. Это ограничивает компоненты установки, сложность установки и стоимость силового блока.

Преимущества использования сверхкритического диоксида углерода в качестве рабочего тела вместо традиционных хладагентов (таких как HFC или HFO ) в холодильных циклах представлены как экономическими аспектами, так и экологическими. Стоимость диоксида углерода на два порядка ниже, чем стоимость обычного рабочего тела хладагента, а воздействие диоксида углерода на окружающую среду очень ограничено (с ПГП 1 и ОРП 0), жидкость не является реакционноспособной и не оказывает существенного влияния на окружающую среду. токсичный. Никакие другие рабочие жидкости для охлаждения не могут достичь таких же экологически благоприятных характеристик, как углекислый газ. [27]

  1. ^ Томинага (2017). Достижения в области паровых турбин для современных электростанций . Эльзевир. п. 41. ИСБН  978-0-08-100314-5 .
  2. ^ Ю, Чао; Сюй, Цзиньлян; Сунь, Ясон (сентябрь 2015 г.). «Анализ органического цикла Ренкина (ORC) при транскритическом давлении на основе интегрированной средней разницы температур в испарителях». Прикладная теплотехника . 88 : 2–13. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2014.11.031 .
  3. ^ Хасани Мокаррам, Н.; Мосаффа, АХ (июнь 2020 г.). «Исследование термоэкономического улучшения интеграции усиленной геотермальной одиночной вспышки с транскритическим органическим циклом Ренкина». Преобразование энергии и управление . 213 : 112831. doi : 10.1016/j.enconman.2020.112831 . S2CID   218783771 .
  4. ^ Лекомпт, Стивен; Нтаву, Эрика; Чанш, Бертран; Космадакис, Джордж; Пиллаи, Адитья; Манолакос, Димитрис; Де Паепе, Мишель (25 июня 2019 г.). «Обзор экспериментальных исследований сверхкритических и транскритических термодинамических циклов, предназначенных для рекуперации тепла» . Прикладные науки . 9 (12): 2571. дои : 10.3390/app9122571 . hdl : 1854/LU-8622604 .
  5. ^ Бехзади, Амирмохаммед; Голамян, Эхсан; Хушфар, Эхсан; Хабиболлахзаде, Али (октябрь 2018 г.). «Многоцелевая оптимизация и эксергоэкономический анализ утилизации отработанного тепла Тегеранской установки по переработке отходов в энергию, интегрированной с установкой ORC». Энергия . 160 : 1055–1068. дои : 10.1016/j.energy.2018.07.074 . S2CID   115970056 .
  6. ^ Оевунми, Оенийи А.; Ферре-Серрес, Симо; Лекомпт, Стивен; ван ден Брук, Мартин; Де Паепе, Мишель; Маркидес, Христос Н. (май 2017 г.). «Оценка докритических и транскритических органических циклов Ренкина для утилизации отходящего тепла» . Энергетическая процедура . 105 : 1870–1876. дои : 10.1016/j.egypro.2017.03.548 . hdl : 10044/1/44744 .
  7. ^ Дай, Баомин; Лю, Шэнчунь; Ли, Хайлун; Сунь, Чжили; Сун, Мэнцзе; Ян, Цяньру; Ма, Итай (май 2018 г.). «Энергетические характеристики транскритических холодильных циклов CO2 с механическим переохлаждением с использованием зеотропной смеси в качестве хладагента». Энергия . 150 : 205–221. дои : 10.1016/j.energy.2018.02.111 .
  8. ^ Бахета, Аклилу Тесфамихаэль; Хасан, Сухайми; Редуан, Алля Радзихан Б.; Вольдейоханнес, Авраам Д. (2015). «Исследование характеристик транскритического холодильного цикла с двуокисью углерода» . Процесс CIRP . 26 : 482–485. doi : 10.1016/j.procir.2015.02.084 .
  9. ^ Ло Бассо, Джанлуиджи; де Сантоли, Ливио; Пайоло, Романо; Лоси, Клаудио (февраль 2021 г.). «Потенциальная роль транскритических тепловых насосов на CO2 в солнечной системе охлаждения для инженерных сетей: анализ энергии гибридной системы с помощью динамической имитационной модели» . Возобновляемая энергия . 164 : 472–490. doi : 10.1016/j.renene.2020.09.098 . ПМК   7505099 . ПМИД   32982085 .
  10. ^ Остин, Брайан Т.; Сумати, К. (октябрь 2011 г.). «Транскритические системы тепловых насосов на углекислом газе: обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 15 (8): 4013–4029. дои : 10.1016/j.rser.2011.07.021 .
  11. ^ Чен, Ю.; Лундквист, П. (1 января 2011 г.). Транскритический энергетический цикл CO2 для низкопотенциальной рекуперации тепла: обсуждение температурных профилей в системных теплообменниках . Конференция ASME 2011 по энергетике, Том 1. стр. 385–392. дои : 10.1115/POWER2011-55075 .
  12. ^ Макки, Эннио (2016). Энергетические системы с органическим циклом Ренкина (ORC) . Кент, Великобритания: Elsevier Science. п. 73. ИСБН  978-0-08-100510-1 .
  13. ^ Филлипс, Джеффри (2016). «Расширенное ультрасверхкритическое обновление: циклы Ренкина при температуре выше 1200 градусов по Фаренгейту». дои : 10.13140/RG.2.1.1544.9842 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  14. ^ Лишэн, Пан; Бинг, Ли; Юань, Яо; Вэйсю, Ши; Сяолинь, Вэй (февраль 2019 г.). «Теоретическое исследование нового транскритического энергетического цикла CO2 с использованием солнечной энергии» . Энергетическая процедура . 158 : 5130–5137. дои : 10.1016/j.egypro.2019.01.686 . S2CID   115603205 .
  15. ^ Лонг, Генри А.; Ван, Тин; Томас, Ариан (26 июня 2017 г.). Оценка использования сверхкритических циклов Ренкина в комбинированных циклах комплексной газификации угля (IGCC) . Том 3: Уголь, биомасса и альтернативные виды топлива; Цикл инноваций; электроэнергия; Промышленные и когенерационные приложения; Органические энергетические системы с циклом Ренкина. стр. V003T03A015. дои : 10.1115/GT2017-65246 .
  16. ^ Ибрагим, Тамир к.; Мохаммед, Мохаммед Камил; Авад, Омар И.; Рахман, ММ; Наджафи, Г.; Басрави, Фирдаус; Абд Алла, Ахмед Н.; Мамат, Ризалман (ноябрь 2017 г.). «Оптимальная производительность электростанции комбинированного цикла: всесторонний обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 79 : 459–474. дои : 10.1016/j.rser.2017.05.060 .
  17. ^ таджик Мансури, Мохаммад; Ахмади, Пурия; Гандже Кавири, Абдолсаид; Джаафар, Мохаммад Назри Мохд (июнь 2012 г.). «Эксергетическая и экономическая оценка влияния конфигураций котлов-утилизаторов на работу электростанций с комбинированным циклом». Преобразование энергии и управление . 58 : 47–58. дои : 10.1016/j.enconman.2011.12.020 .
  18. ^ Ким, Джун-Сон; Ким, До Ёп (24 апреля 2020 г.). «Предварительный проект и внепроектный анализ турбины с радиальным оттоком для органических циклов Ренкина» . Энергии . 13 (8): 2118. doi : 10.3390/en13082118 .
  19. ^ Саласар-Перейра, Мартин; Луго-Лейте, Рауль; Бонилья-Бланкас, Анжелика Элизабет; Луго-Мендес, Хелен Дениз (13 июня 2016 г.). Термодинамический анализ сверхкритических и субкритических циклов Ренкина . Том 8: Микротурбины, турбокомпрессоры и малые турбомашины; Паровые турбины. стр. В008Т26А041. дои : 10.1115/GT2016-57814 .
  20. ^ Ядав, Крити; Сиркар, Анирбид (декабрь 2019 г.). «Выбор рабочей жидкости для низкоэнтальпийского источника тепла в органическом цикле Ренкина в Дхолере, Гуджарат, Индия» . Практические примеры в области теплотехники . 16 : 100553. doi : 10.1016/j.csite.2019.100553 . S2CID   210612763 .
  21. ^ Ло, Донг; Махмуд, Ахмад; Когсуэлл, Фредерик (июнь 2015 г.). «Оценка жидкостей с низким ПГП для производства электроэнергии с использованием органического цикла Ренкина». Энергия . 85 : 481–488. дои : 10.1016/j.energy.2015.03.109 .
  22. ^ Куойлин, Сильвен; Брук, Мартин Ван Ден; Деклей, Себастьен; Деваллеф, Пьер; Леморт, Винсент (июнь 2013 г.). «Технико-экономическое исследование систем органического цикла Ренкина (ORC)» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 22 : 168–186. дои : 10.1016/j.rser.2013.01.028 .
  23. ^ Бомбарда, Паола. Сравнение расширенных органических циклов Ренкина для геотермальных энергоблоков (PDF) . [Мельбурн].
  24. ^ Ю, Шуй (2018). «Внедрение системы тепловых насосов с источником воды». Справочник по энергетическим системам в «зеленых» зданиях : 1–48. дои : 10.1007/978-3-662-49088-4_4-1 . ISBN  978-3-662-49088-4 .
  25. ^ Ян, Хунчжи; Ву, Ди; Лян, Цзюньюй; Ху, Бин; Ван, Р.З. (июль 2021 г.). «Выбор и проверка хладагентов с низким ПГП для водяного теплового насоса». Прикладная теплотехника . 193 : 116938. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.116938 . S2CID   234824823 .
  26. ^ Саркар, Джахар (2010). «Обзор модификаций цикла систем транскритического охлаждения CO2 и тепловых насосов». Журнал перспективных исследований в области машиностроения . 1 (1): 22–29.
  27. ^ Саркар, Дж.; Бхаттачарья, Сувик; Рам Гопал, М. (январь 2007 г.). «Подкритические и транскритические циклы на основе природных хладагентов для высокотемпературного отопления». Международный журнал холодильного оборудования . 30 (1): 3–10. дои : 10.1016/j.ijrefrig.2006.03.008 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 616edba7e8b7814dd1436daed907cc05__1707538380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/61/05/616edba7e8b7814dd1436daed907cc05.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Transcritical cycle - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)