§ 124. Бинарные циклы 1

Наибольшее значение термического КПД цикла может быть по| лучено при максимально высоких температурах подводимой теплоты,; что подтверждается проведенным выше анализом зависимости. КПД паровых циклов от параметров рабочего агента.-Однако для создания- реальных циклов и реализации указанных преимуществ требуются oco-i бые природные свойства рабочего тела, так как в отлнчне от цикла; Карно в цикле Ренкина качество рабочего тела существенно влияет; на термический КПД установки. Наиболее часто в качестве рабочего^ тела . в современных энергетических паровых установках используе-1 ся водяной пар. Однако вода по своим свойствам не может удовлетво-1 рять всем требованиям, предъявляемым к рабочим телам с целью уве-.^: личения КПД. Прежде всего она имеет низкую критическую темпера-: туру (Г_кр = 647,15 К) и при этом достаточно большое критическое; давление р_яр = 22,219 МПа. При таких физических свойствах воды⁵ и водяного пара при росте температуры перегрева 7\ не удается суще­ственно повысить среднюю температуру подводимой теплоты. Вода^;: имеет слишком большое значение удельной теплоемкости, а это, как.

^гн ■ - І

следует из формулы As = {cdT/T, приводит к существенному росту I

удельной энтропии и уменьшает заполняемость цикла Карно (As_M- <3 < А%і) (см. рис. 129). В конце процесса расширения пар при низких! рабочих давлениях имеет значительную удельную энт.альпию ц. Эти! физические особенности воды, как рабочего тела в паровых у станов-j ках, приводят к ограничению термического КПД паровых циклов.! К недостаткам воды и водяного пара следует также отнести неблаго­приятное соотношение между температурами насыщения н соответс­твующими им давлениями (медленное увеличение температуры при су-; щественном росте давления). Действительно, рост температуры в три раза приводит К росту давления в 200 раз. Это удорожает оборудова­ние н затрудняет его эксплуатацию. Использование в качестве рабо­чих тел других веществ, в частности ртути, также не представляется! возможным. Ртуть имеет высокую критическую температуру (большей 1273 К) при сравнительно небольшом критическом давлении. Однако для охлаждения ртути до температуры, примерно равной температу-і ре окружающей среды (Т_и = 303 К), требуется почти полный вакуум,! так как давление насыщения паров ртути, соответствующее этой темпө-і ратуре, составляет всего 0,33 Па. Получить такой вакуум практически- невозможно. Если же закончить расширение паров ртути при. возмож-: но осуществимом давлении р_а = 0,004 МПа, то температура в конце' расширения окажется примерно равной 500 К. Такая высокая темпе-

■ J

^^Rypa отвода теплоты существенно уменьшит термический КПД па- ^В|ого цикла. Таким образом, рассмотренные рабочие тела (вода -и- ^В&ть) не удовлетворяют идеальным требованиям, предъявляемым к ^Врочим телам паровых турбин. Поэтому появилась идея создания ^Ножного цикла, гдё вместо одного рабочего тела используются два И||зличных рабочих тела. Такой цикл называется бинарным (рис. 131). ^Внем одно рабочее тело должно иметь высокую критическую темпера- НКру при сравнительно низком давлении и использоваться в цикле с Ирсокими температурами. Другое рабочее тело должно иметь высокое ВЦвление насыщения при температуре окружающей среды и исполь- ВЦваться в циклах, осуществляющихся в области низких температур.

ИЬединение этих двух циклов значительно расширяет использование Ввемпературного перепада и приводит к увеличению термического ИЩД в сравнении с пароводяным циклом.

Н| Схема такой бинарной ртутно-водяной установки представлена на В>ис. 132, где сплошными линиями показан ртутный контур, а пунк- Вирными — водяной. Ртутный пар образуется в специальном ртутном ^ротле / и направляется в ртутную турбину 3. После отработки в тур- Ві.ине до приемлемых параметров пары ртути поступают в конденсатор- Врспаритель 2, где, конденсируясь, отдают свою теплоту на получение водяного пара. Таким образом, конденсатор-испаритель выполняет В' схеме две функции: конденсатора в ртутной ее части и испарителя- Вэтла в водяной. Ртуть из конденсатора-испарителя самотеком или с Вюмощыо насоса направляется вновь в ртутный котел, а образовавший- Вя водяной пар после дополнительного перегрева в перегревателе 7 Исправляется в паровую турбину. После расширения в турбине 4 от- Ваботавший пар конденсируется, в паровом конденсаторе 5, а затем Васосом 6 подается в конденсатор-испаритель 3. В Об экономичности такого бинарного цикла (см. рис. 131) можно Вудить, используя sT-диаграмму. Циклы ,в sT-диаграмме изобража­емся для 1 кг водяного пара й т кг ртутного пара. Необходимость та­кого соотношения рабочих тел связана с тем, что энтальпия насыщен. | иых паров ртути в конце процесса расширения в ртутной турбине _в ] несколько раз меньше энтальпии водяного пара. Следовательно, д_Ля ' йолучення 1 кг водяного пара в конденсаторе-испарителе (при прак­тически отсутствующем температурном перепаде между насыщенным ртутным паром и насыщенным водяным паром) требуется т кг ртути, ' причем

т —(if — ) / Щ — /р ),

где; Ц — удельная энтальпия ртутного пара 'за ртутной турбиной; ig—удельная энтальпия ртути за конденсатором-испарителем; ij? — удельная энтальпия водяного пара на выходе из конденсатора-испа­рителя; ІІ — удельная энтальпия воды, поступающей в конденсатор- испаритель.

Расчеты показывают, что на 1 кг-водяного пара требуется от 10 до 12 кг ртут^. ^Обычно в бинарных установках применяют сухой насы­щенный ртутный пар при давлении 1 —15 МПа, что соответствует тем- пературам^йа^Мщения 790—630 К.. Расширение допускается до давле­ния р₂, райого 0,0.1—0,004 МПа. Этим давлениям соответствуют тем­пературы $20-^-500 К- Если принять температурный перепад между ртутным и водяным парами в- конденсаторе-испарителе* 10—15 К, то температура насыщенного водяного пара составит 505—490 К. Такой температуре соответствует давление 3,3—2,5 МПа. Эффектив­ность бинарного цикла можно оценить по коэффициенту а^б"^н запол­няемое™ площади цикла, определяемому отношением (см. рис. 13J)

а^6т = (пл. 6987 + пл. 123451)1пл. 123101.

Значение а^бин больше коэффициента заполняемости одного паро­водяного цикла Ренкина ос^п-^в = пл. 123451 /пл.. 123101, соответствую­щего тем же температурам. Таким оЗразом, а^бш > а^п-^в. Если оцени­вать эффективность циклов в процентах КПД цикла Карно при оди­наковых температурных перепадах, то КПД бинарного цикла 85— 90%, а цикла Ренкипа — всего лишь около 70%. Это связано прежде всего с тем, что теплота в промежуточном цикле используется практи­чески на 100%, так как теплота, отдаваемая холодильнику, не теряет­ся, а полезно используется на получение водяного пара.

Термический КПД бинарного цикла без регенерации определится отношением

- £^р+^;в _ ^w Ч-'?>+('Г ¹

где Lp — работа ртутного пара; 1^В — удельная работа водяного пара; m — масса ртути, приходящаяся на 1 кг воды, кг; Ң — удельная эн­тальпия ртутного пара за ртутным котлом; i\ — удельная энтальпия перегретого водяного пара за пароперегревателем; Ң — удельная эн­тальпия водяного пара за турбиной. Практическая выгодность бинар­ных циклов была подтверждена созданием ряда установок мощностью от 1,8 до 20 МВт. При эксплуатации они показали хорошую надеж-

.. ность и безопасность и соответственно высокую экономичность. Их медленное внедрение объясняется ядовитостью паров и высокой стои­мостью установок (особенно повышенной мощности), требующих ртуть в больших количествах.