Гигроскопический цикл

Гигроскопический цикл — это термодинамический цикл, преобразующий тепловую энергию в механическую с помощью паровой турбины .Он похож на цикл Ренкина, в котором в качестве рабочей жидкости используется вода , но с новизной введения солей и их гигроскопических свойств для конденсации . Соли десорбируются в котле или парогенераторе , где выделяется чистый пар, который перегревается для расширения и выработки электроэнергии через паровую турбину. Продувка котла концентрированными гигроскопичными соединениями используется термически для предварительного подогрева конденсата паровой турбины, а также в качестве орошения в пароабсорбере .

Конденсация осуществляется в абсорбере пара, в отличие от традиционного конденсатора, используемого в цикле Ренкина . Здесь выходящий пар поглощается охлажденными гигроскопичными соединениями по тем же принципам, что и в абсорбционных холодильниках . Эти гигроскопичные соединения охлаждаются воздушным охладителем, где тепло конденсации рассеивается воздушным охладителем. За счет термической рекуперации продувки котла, гигроскопической реакции в конденсаторе пара и использования воздухоохладителя для рассеивания тепла конденсации КПД цикла выше, при более высокой электрической мощности снижается или исключается потребность в охлаждающей воде, ^[1] снижает эксплуатационные расходы, ^[2] и капитальные затраты на коммунальную электростанцию. ^[3]

Принципы

Гигроскопический эффект солей хорошо известен и используется в абсорбционных холодильниках используется тепло , где для охлаждения . В этих машинах хладагент поглощается-растворяется в другой жидкости (гигроскопической жидкости), снижая ее парциальное давление в испарителе и позволяя большему количеству жидкости испаряться. В гигроскопическом цикле газом, поглощенным-растворенным в другой жидкости, является пар, поступающий из выхода паровой турбины. Поскольку пар поглощается-растворяется в гигроскопичной жидкости, больше пара может конденсироваться, и снижение давления пара эквивалентно снижению давления конденсации на выходе паровой турбины. Результатом этого является то, что паровую турбину можно использовать с более низким давлением на выходе и с более низким уровнем энтальпии на выходе из турбины. Это увеличивает эффективность турбины и генерирует более высокую электрическую мощность.

В пароабсорбенте пар поглощается концентрированной гигроскопичной жидкостью. По мере поглощения пара концентрация гигроскопической жидкости уменьшается или соль разбавляется . Гигроскопичные/ расплывающиеся жидкости с высокой способностью разбавлять воду, такие как LiBr, обычно также имеют высокую температуру насыщения/низкое давление насыщения . Другими словами, расплывающаяся жидкость может конденсировать пар при более высокой температуре . Это означает, что температура концентрированной гигроскопичной жидкости, поступающей в абсорбер, может быть выше, чем у негигроскопичной жидкости. В результате охлаждение в секции конденсации проще, чем в обычном цикле Ренкина , за счет использования воздушного охладителя для рассеивания тепла конденсации в кипящей концентрированной гигроскопичной жидкости, упомянутой ранее.

При наличии соответствующих солей это позволяет снизить или даже исключить расход охлаждающей воды на электростанции . ^[4] Контуры охлаждающей воды на электростанциях потребляют большое количество пресной воды. ^[5]^[6] и химикаты, а также их альтернатива — электрический конденсатор пара с воздушным охлаждением. ^[7] потребляет часть энергии, производимой на обычных электростанциях, снижая эффективность цикла Ренкина .

Воздухоохладитель, используемый в гигроскопическом цикле, охлаждает поток жидкости концентрированным гигроскопическим соединением, общая объемная теплоемкость которого намного выше, чем у пара, традиционно конденсируемого в упомянутом ранее конденсаторе с воздушным охлаждением, тем самым снижая мощность, необходимую для вентиляции. ^[8] и необходимость меньшей площади поверхности для теплообмена и получение более низкой общей стоимости установки. ^[9]

Контуры охлаждающей воды также дороги, требуют многочисленного оборудования, такого как насосы и градирни, а также дорогостоящей очистки воды. ^[10] Таким образом, за счет уменьшения потребности в охлаждающей воде эксплуатационные расходы установки будут снижены.

В зависимости от выбранных солей, особенно с высокой разбавляющей способностью (например, LiBr), температура насыщения гигроскопической жидкости может быть на 40 °C выше, чем у пара, выходящего из турбины.

Соли концентрируются в котле по мере отделения пара от жидкой воды. Поскольку концентрация солей увеличивается, температуру кипения смеси солей это влияет на . Для большинства солей это приведет к увеличению температуры кипения и температуры высвобождаемого пара. ^[11]

Гигроскопические жидкости

Гигроскопические соединения — это все те вещества, которые притягивают воду в виде пара или жидкости из окружающей среды, поэтому их используют в качестве осушителей . Многие из них химически реагируют с водой, например, в виде гидратов или щелочных металлов . Другие задерживают воду в виде гидратной воды в своей кристаллической структуре, например сульфат натрия . В последних двух случаях вода легко десорбируется обратимым путем, в отличие от первого случая, когда воду невозможно легко восстановить ( прокаливание может потребоваться ).

Выбор гигроскопических солей должен соответствовать следующим строгим критериям, чтобы они представляли интерес для использования в гигроскопическом цикле:

Высокогигроскопичные соединения, расплывающиеся материалы.
Менее летуч, чем вода ( давление пара ниже, чем у воды), с легко обратимой десорбцией в воду и пар в котле.
Хорошая растворимость в воде при низких и умеренных температурах.
Нереакционноспособен с другими солями в цикле и химически стабилен в диапазоне температур и давлений в гигроскопическом цикле.
Являются нетоксичными и негорючими
Термические и физические свойства не ухудшаются в течение циклов.

Некоторые из наиболее известных солей с подобными свойствами — хлорид кальция , гидроксид натрия , серная кислота и сульфат меди (II).

Уточнения гигроскопического цикла

Другие преимущества заключаются в том, что большинство оптимизаций, используемых в реальном цикле Ренкина, могут быть достигнуты в этом цикле, например, повторный нагрев и регенерация .

Пилотная установка с гигроскопическим циклом

Построена демонстрационная установка гигроскопического цикла, демонстрирующая концепции цикла, включающего поглощение пара в абсорбере, где гигроскопические соединения рециркулируют, получая конденсаты с температурами выше температуры насыщения . ^[12] физико-химические характеристики гигроскопических соединений, а также их влияние на котел и другое основное оборудование цикла, аналогичное тем, которые встречаются в термоэлектрических установках Доказаны также , а также общий термодинамический КПД цикла.

Промышленный справочник по гигроскопическому циклу

Гигроскопический цикл был внедрен на электростанции, работающей на биомассе , в провинции Кордова, Испания . Это первое промышленное применение этой технологии. Он имеет мощность 12,5 МВт и является частью Олейкола-эль-Техар. ^[13] Подаваемая биомасса представляет собой сушеные оливковые косточки, полученные на заводе по производству оливкового масла, расположенном вокруг завода на юге Кордовы . ^[14] Завод был вынужден сократить производство из-за ограничений по воде во время высоких температур в регионе (завод потреблял 1200 м3/день с использованием адиабатических воздухоохладителей). ^[15] от 25 °C и выше температуры окружающей среды). Гигроскопический цикл позволил заводу сократить потребление охлаждения для этих воздухоохладителей, увеличить выходную мощность на 1% и повысить эксплуатационную готовность в течение всего года. Теперь установка может работать при температуре окружающей среды 38 °C и даже 45 °C. Владелец станции теперь может получить все премии за генерацию этой станции. Это увеличение также поможет провинции достичь соглашения COP 21 . ^[16]

Уровень развития

Гигроскопический цикл — это концепция, которая возникла недавно и лежит в основе интенсивных исследований гигроскопических жидкостей. Недавними разработками стал цикл Калины , ^[17] но при фактической конфигурации ожидается, что она окажет влияние в местах с плохим доступом к воде и хорошей интеграцией с электростанциями комбинированного цикла и любыми термоэлектрическими установками ( CSP , биомасса, уголь). Здесь остаточное тепло котла и гигроскопичная жидкость, выходящая из котла, может быть использована для целей отопления.

Текущее состояние разработок возглавляет Франсиско Хавьер Рубио Серрано, где его исследовательская группа и компания IMASA INGENIERÍA Y PROYECTOS, SA разрабатывают другие конфигурации и исследуют гигроскопические жидкости для каждого конкретного применения вместе с наиболее подходящими для них конструкционными материалами. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

^ «Водоэффективное охлаждение солнечных теплоэлектростанций» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2013 г.
^ «Думайте о воде при проектировании установок CSP» . Powermag.com . Май 2012.
^ Рубио, Франсиско Хавьер (2013). «Гигроскопический цикл для CSP» . Фокус на возобновляемых источниках энергии . 14 (3): 18. дои : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .
^ «Вода для охлаждения электростанций | Союз обеспокоенных ученых» . Ucsusa.org . Проверено 11 марта 2022 г.
^ «Дом» (PDF) . Netl.doe.gov .
^ «Возможности водосбережения на объектах электроэнергетики» . Powermag.com . Сентябрь 2012.
^ «Теплообменники с воздушным охлаждением | Chart Industries» (PDF) . Hudsonproducts.com .
^ «Принудительное воздушное охлаждение и вентиляторная техника» . Архивировано из оригинала 3 июня 2013 г. Проверено 7 июня 2013 г.
^ Рубио, Франсиско Хавьер (2013). «Гигроскопический цикл для CSP». Фокус на возобновляемых источниках энергии . 14 (3): 18. дои : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .
^ Доктор К. Нахштедт. «Охлаждающая вода: Водоочистка и химическое кондиционирование открытых и закрытых систем охлаждения» (PDF) . Mkk.desy.de. Проверено 11 марта 2022 г.
^ «Цикл Ренкина со стадией абсорбции с использованием гигроскопических соединений» . Patentscope.wipo.int .
^ «Испытательная установка – Гигроскопический цикл» . Гигроскопический цикл.com . Проверено 11 марта 2022 г.
^ «Олейкола эль Техар SCL — Энипедия» . Архивировано из оригинала 15 октября 2017 г. Проверено 15 октября 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ Миранда, Тереза; Эстебан, Альберто; Рохас, Себастьян; Монтеро, Ирен; Руис, Антонио (4 апреля 2008 г.). «Анализ сгорания различных остатков оливок» . Международный журнал молекулярных наук . 9 (4): 512–525. дои : 10.3390/ijms9040512 . ПМЦ 2635694 . ПМИД 19325766 .
^ «Адиабатические охладители – разумный выбор для охлаждения» . Icscoolenergy . Проверено 11 марта 2022 г.
^ «ANESE | IMASA разрабатывает важную технологию для Oleícola el Tejar, которая является очень мощным инструментом повышения энергоэффективности» . Архивировано из оригинала 18 сентября 2017 г. Проверено 15 октября 2017 г.
^ «Калина Цикл» . Google.com . Проверено 11 марта 2022 г.

[nrel-1] «Водоэффективное охлаждение солнечных теплоэлектростанций» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 21 октября 2013 г.

[2] «Думайте о воде при проектировании установок CSP» . Powermag.com . Май 2012.

[3] Рубио, Франсиско Хавьер (2013). «Гигроскопический цикл для CSP» . Фокус на возобновляемых источниках энергии . 14 (3): 18. дои : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .

[4] «Вода для охлаждения электростанций | Союз обеспокоенных ученых» . Ucsusa.org . Проверено 11 марта 2022 г.

[5] «Дом» (PDF) . Netl.doe.gov .

[powermag-6] «Возможности водосбережения на объектах электроэнергетики» . Powermag.com . Сентябрь 2012.

[7] «Теплообменники с воздушным охлаждением | Chart Industries» (PDF) . Hudsonproducts.com .

[8] «Принудительное воздушное охлаждение и вентиляторная техника» . Архивировано из оригинала 3 июня 2013 г. Проверено 7 июня 2013 г.

[sciencedirect-9] Рубио, Франсиско Хавьер (2013). «Гигроскопический цикл для CSP». Фокус на возобновляемых источниках энергии . 14 (3): 18. дои : 10.1016/S1755-0084(13)70048-6 .

[10] Доктор К. Нахштедт. «Охлаждающая вода: Водоочистка и химическое кондиционирование открытых и закрытых систем охлаждения» (PDF) . Mkk.desy.de. Проверено 11 марта 2022 г.

[patentscope.wipo-11] «Цикл Ренкина со стадией абсорбции с использованием гигроскопических соединений» . Patentscope.wipo.int .

[12] «Испытательная установка – Гигроскопический цикл» . Гигроскопический цикл.com . Проверено 11 марта 2022 г.

[13] «Олейкола эль Техар SCL — Энипедия» . Архивировано из оригинала 15 октября 2017 г. Проверено 15 октября 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[14] Миранда, Тереза; Эстебан, Альберто; Рохас, Себастьян; Монтеро, Ирен; Руис, Антонио (4 апреля 2008 г.). «Анализ сгорания различных остатков оливок» . Международный журнал молекулярных наук . 9 (4): 512–525. дои : 10.3390/ijms9040512 . ПМЦ 2635694 . ПМИД 19325766 .

[15] «Адиабатические охладители – разумный выбор для охлаждения» . Icscoolenergy . Проверено 11 марта 2022 г.

[Hygroscopic_Cycle_industrial_reference-16] «ANESE | IMASA разрабатывает важную технологию для Oleícola el Tejar, которая является очень мощным инструментом повышения энергоэффективности» . Архивировано из оригинала 18 сентября 2017 г. Проверено 15 октября 2017 г.

[google-17] «Калина Цикл» . Google.com . Проверено 11 марта 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]