Dlaczego stosowanie pary do obracania turbiny jest bardziej wydajne?

12

Na przykład mam rurę wydechową z bardzo gorącym powietrzem ze spalania biopaliwa i mam turbinę na końcu spalin, która obraca się i wytwarza prąd.

Dlaczego bardziej efektywne jest wykorzystanie ciepła do zagotowania wody niż wykorzystanie wytworzonej pary do obracania turbin? Jak w takim razie dlaczego więcej energii elektrycznej generuje się przy użyciu pary do obracania turbin, a nie przy użyciu pary podczas spalania tej samej ilości biopaliwa?

Mohdak
źródło
Jeśli masz ładne, spójne paliwo płynne lub gazowe, może być lepiej spalić je w silniku spalinowym (ICE) lub turbinie gazowej, aby wygenerować pracę mechaniczną, niż używać go do podgrzewania pary w cyklu Rankine'a. Cykle parowe są zwykle wybierane dla paliw, które byłyby trudne do zastosowania w ICE lub turbinach gazowych, takich jak paliwa stałe, nuklearne lub inne wolno palące się paliwa.
Carlton,

Odpowiedzi:

12

Głównym powodem jest to, że turbina wymaga spadku ciśnienia w celu wydobycia energii z płynu roboczego. Spadek temperatury obserwowany w turbinie jest wynikiem ekspansji płynu; turbina nie ma sposobu na wydobycie energii cieplnej bezpośrednio z płynu.

ΔH=ΔU+Δ(PV)

Rozwiązaniem problemu wychwytywania tej zmarnowanej energii jest pobranie części tej energii cieplnej i przetworzenie jej na energię ciśnienia przez gotowanie wody - teraz masz wysokociśnieniowy płyn roboczy, który jest znacznie bardziej przydatny do napędzania turbiny. Turbina może teraz pobierać znacznie więcej pierwotnej energii cieplnej w postaci ciśnienia, a zatem wyższej wydajności.

Carlton
źródło
Jest to spadek entalpii, a nie spadek ciśnienia, który powoduje użyteczną pracę w turbinie
Zaid
@Zaid w celu wydobycia energii ze strumienia turbina potrzebuje spadku ciśnienia na niej. Spadek entalpii odpowiada różnicy energii cieplnej przy stałym ciśnieniu (która dla systemu parowego jest faktycznie energią całkowitą, ponieważ odniesieniem jest woda, która ma zasadniczo taką samą objętość przy wszystkich ciśnieniach). Zgodnie z prawem zachowania energii, spadek entalpii odpowiada wykonanej pracy (zaniedbując wydajność.) Ale nie „produkuje” użytecznej pracy. Jeśli zamiast tego spojrzymy na turbinę wodną, ​​zobaczymy, że cała energia pochodzi ze spadku ciśnienia i entalpia nie ma z tym nic wspólnego.
Level River St
2
@Zaid ma rację. Nastąpiła zmiana zarówno ciśnienia, jak i temperatury płynu roboczego przez turbinę, i możemy wyrazić połączenie tych dwóch z entalpią. Zmodyfikuję swoją odpowiedź, aby było to bardziej jasne.
Carlton,
@steveverrill - Myślę, że mieszasz między płynami ściśliwymi i nieściśliwymi; oba scenariusze są bardzo różne.
Zaid
@Carlton - dzięki za to ... Postaram się opublikować własną odpowiedź, jeśli będę miał okazję
Zaid
4

Podgrzewanie wody w celu wytworzenia pary niekoniecznie jest bardziej wydajne, ale o wiele bardziej praktyczne. Opisujesz na przykład, jak działają silniki spalinowe, więc jest to ważna koncepcja. Robią to jednak w seriach i używają płynnego i starannie zaprojektowanego paliwa, co sprawia, że ​​wdrożenie jest bardziej praktyczne.

W opisywanym systemie ciągłym paliwo jest spalane pod wysokim ciśnieniem. Rozważ mechaniczną trudność dodawania większej ilości paliwa do układu podczas uszczelniania przed tym ciśnieniem. Musisz także w jakiś sposób pozbyć się niespalonych odpadów.

Choć podstawowa fizyka nie przeszkadza w opisywaniu tego, co opisujesz, robi to praktyczna inżynieria. Łatwiej jest spalać paliwo pod ciśnieniem otoczenia i wykorzystać ciepło do wytworzenia wysokiego ciśnienia w specjalnie zaprojektowanym zbiorniku ciśnieniowym. Innymi słowy, o wiele łatwiej jest uzyskać ciepło przez uszczelnienie ciśnieniowe niż ciała stałe o nieco nieprzewidywalnych kształtach i rozmiarach.

Olin Lathrop
źródło
Twoje komentarze na temat praktyczności są bardzo pomocne. Elektrownie parowe zwykle wykorzystują paliwa takie jak węgiel, śmieci i materiały radioaktywne - paliwa, które nie byłyby praktyczne w silnikach motocyklowych Otto lub Brayton.
Carlton,
3

Prawie opisujesz silnik turbiny gazowej. Są one wykorzystywane do generowania energii elektrycznej, a także do napędzania samolotów. Ale w turbinie gazowej moc wyjściowa komory spalania znajduje się pod wysokim ciśnieniem, co służy do obracania turbiny. Jest to inny cykl spalania niż cykl parowy.

Adam
źródło
0

Porównujesz silnik spalania wewnętrznego z silnikiem spalania zewnętrznego. Oba mają zalety i kompromisy. Wydajność praktyczna jest ograniczona przez podstawową konstrukcję silnika i materiały konstrukcyjne. Opisujesz turbinę napędzaną spalinami z turbiny gazowej, która ma wysoki stosunek mocy do masy, co jest dobre dla samolotów, ale wymaga intensywnej konserwacji. Zewnętrzne spalanie w kotle zasilającym elektrownię parową jest znacznie bardziej niezawodne, ale wymaga ciężkich maszyn, co jest dobre dla elektrowni obciążonej podstawowo - w tym przypadku potrzebujesz niezawodności i łatwej możliwości zwiększenia produkcji energii poprzez spalanie większej ilości paliwa, ponieważ zmienia się obciążenie podstawowe.

Ten facet
źródło
0

Konieczna jest dwufazowa chemia, która powoduje, że ciśnienie wykorzystuje ciepło.

Szybkowar z samym powietrzem wytwarza znacznie mniejsze ciśnienie niż w przypadku litra wody.

Woda działa potencjalnie na ciśnienie przechowywane w stanie zimnym.

Płyny nadkrytyczne są w rzeczywistości bardziej wydajne niż para, ale wymagają naczyń o wyższym ciśnieniu i dużej ilości CO2 z lodu. i inne egzotyczne substancje.

zrozumiały
źródło