§ 11.8. Бинарные (двойные) циклы

В бинарных циклах в качестве рабочих используются два тела вместо од­ного. Применение двух рабочих тел обосновывается тем, что пар воды как рабочее тело вместе с положительными имеет и отрицательные свойства, ко­торые наиболее проявляются в области высоких температур.

Для выяснения причин плохого использования верхнего температурного предела в паросиловых установках рассмотрим цикл Ренкина 123451 в Ts-координатах (рис. 11.18), который протекает в интервале температур Т₁-Т₂. Работа l_ц 1 кг пара в цикле численно равна площади 123451. В цикле Карно 1234'1 для того же перепада температур работа определяется площадью 1231, которая значительно больше, чем площадь 123451. Степень прибли­жения цикла Ренкина к циклу Карно характеризуется коэффициентом запол­няемости

.

Рис. 11.18

Чем больше k_з, тем выше термодинамическое совершенство цикла. Применение бинарных циклов позволяет существенно увеличить k_з.

Недостатки водяного пара как рабочего тела заключаются в том, что вода при сравнительно невысокой критической температуре (t_к В 374,15 °С) имеет высокое критическое давление (22,115 МПа). В связи с чем для повышения кпд цикла Ренкина приходится повышать начальную температуру пара, ко­торая в сочетании с высоким давлением неблагоприятно влияет на материал оборудования тепловой станции.

Если бы удалось найти рабочее тело с более высокой критической темпе­ратурой, чем у воды, при достаточно низком критическим давлении, то кпд цикла Ренкина можно было бы повысить. В то же время это рабочее тело должно иметь низкую температуру насыщения при низких давлениях, близ­кую к температуре охлаждающей воды. Кроме того, жидкость должна иметь малую теплоемкость, а перегретый пар жидкости - большую теплоемкость.

В природе до сих пор не найдено рабочего тела с такими свойствами. На­пример, вода удовлетворяет лишь одному из этих свойств - температура на­сыщения при малых давлениях (при давлениях вакуума в конденсаторе) дос­таточно мала и незначительно отличается от температуры охлаждающей воды. В связи с чем теплообмен в конденсаторе протекает при небольшой разности температур между паром и охлаждающей водой.

Для того чтобы приблизиться к тем условиям протекания процессов в ПСУ, которые должны выполняться при использовании рабочего тела с пе­речисленными выше положительными свойствами, был создан цикл с двумя рабочими телами. В таком цикле одно из рабочих тел имеет высокую крити­ческую температуру при достаточно низком давлении насыщения. Оно ис­пользуется в цикле, реализуемом в области высоких температур. Второе ра­бочее тело должно иметь низкую температуру насыщения, сопоставимую с температурой окружающей среды при давлениях вакуума (давление в кон­денсаторе).

В качестве первого рабочего тела используется ртуть. В области низких температур в качестве рабочего тела используется вода.

Рис. 11.19

Принципиальная схема ртутно-водяной бинарной установки представлена на рис. 11.19. На рисунке введены следующие обозначения: РК - ртутный котел; ПП - пароперегреватель водяного пара; РТ - ртутная турбина; КИ -конденсатор-испаритель; ПТ - паровая турбина; КВП - конденсатор водяного пара; HI, H2 - насосы ртутный и водяной соответственно.

Цикл бинарной установки в Ts-координатах представлена на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Рис. 11.21

Рассмотрим процессы цикла: 1-2 - адиабатный процесс расширения водя­ного пара на лопатках паровой турбины; 2-3 - конденсация пара в конденса­торе водяного пара; 3-4 - процесс сжатия воды в насосе Н2 и подогрев воды до температуры кипения в конденсаторе ртутного пара; 4-5 - кипение воды в конденсаторе-испарителе; 5-1 - перегрев водяного пара в пароперегревателе ПП от теплоты уходящих из ртутного котла газов.

Выше был рассмотрен пароводяной цикл. Рассмотрим ртутный цикл 6789. Процесс 6-7 - адиабатное расширение ртутного пара на лопатках ртут­ной турбины; 7-8 - конденсация пара в конденсаторе-испарителе; 8-9 - сжа­тие жидкой ртути в насосе H1 и подогрев ее до температуры кипения в ртут­ном котле; 9-6 - парообразование в ртутном котле.

Так как энтальпия ртутного пара значительно меньше энтальпии водяно­го пара, то за одинаковые отрезки времени через конденсатор-испаритель должно пройти водяного пара в 10-12 раз меньше, чем ртутного. В связи с чем, на Ts -диаграмме цикл 123451 выполнен для 1 кг водяного пара, а цикл 6789 для М кг ртутного пара

Вводится понятие кратности циркуляции ртути т, которая равна отноше­нию массы ртути к массе воды в цикле. Она может быть найдена также из теплового баланса конденсатора-испарителя

.

Термический кпд бинарного цикла находится по формуле

,

где L_p - работа М кг ртутного пара; l_в - работа 1 кг водяного пара; Q₁ - коли­чество теплоты, подведенной в ртутном котле.

Термический кпд бинарного цикла достигает 0,8-0,85 от значения кпд цикла Карно, работающего в тех же температурных пределах.

Для повышения кпд бинарной установки можно применять регенератив­ный подогрев питательной воды. Термический кпд бинарного цикла при t₆ =500° С и t₂=30° С составляет η_t =0,57.