Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Разместить статью
Паровая турбина MONO AFA | Howden
Паровая турбина MONO AFA | Howden

Энергетический цикл со сверхкритическим диоксидом углерода

Энергоэффективность и энергосбережение

Опубликовано: 05.12.2019

Обновлено: 19.03.2022

 2412

Им можно заменить цикл Ренкина практически везде, где он присутствует: ядерная, фотоэлектрическая, геотермальная энергетика, утилизация отработанного тепла и сжигание ископаемого топлива

Энергетический цикл со сверхкритическим диоксидом углерода (sCO₂) - это перспективная технология, с помощью которой тепловая энергия преобразуется в электрическую. Этот метод использует sCO₂ как рабочую среду в замкнутом или полузамкнутом термодинамическом цикле Брайтона.

Цикл Брайтона - это тот же цикл, который определяет работу турбин в установках на природном газе. Только СО₂ в течение всего цикла находится в сверхкритическом состоянии. Таким образом, в отличие от цикла Ренкина, цикл Брайтона происходит без конденсации или изменения фазы рабочей среды.

sCO₂ обладает многими уникальными свойствами, которые делают его идеальной рабочей жидкостью. CO₂ не взрывоопасен, не горюч, не токсичен, термически стабилен и доступен по низкой цене. CO₂ имеет относительно низкое критическое давление 7,4 МПа и критическую температуру 31 °С. Таким образом, CO₂ можно сжать до сверхкритического давления и нагреть до сверхкритического состояния в умеренных условиях.

В тепловой системе получается хорошее сочетание разных источников тепла в широком диапазоне температур, например, высокотемпературного сжигания ископаемого топлива и низкотемпературной геотермальной энергии.

С другой стороны, критическая температура умеренно низкая, и не препятствует охлаждению рабочей жидкости из-за нижнего предела, который определяется температурой окружающей среды. Поэтому цикл Брайтона с sCO₂ имеет высокую эффективность. CO₂ вблизи его критической точки становится несжимаемым, что приводит к высокой эффективности цикла. В своем сверхкритическом состоянии CO₂ почти в два раза плотнее, чем водяной пар. Высокая плотность и объемная теплоемкость sCO₂ по сравнению с другими рабочими жидкостями, делают его более энергоемким.

Следовательно, все компонентов системы, такие как турбина и теплообменники, можно существенно уменьшить, что приведет к меньшей занимаемой площади установки. Цикл с sCO₂ работает в одной фазе, снижая сложность системы, в результате чего требуются меньшие капитальные вложения, снижаются затраты на эксплуатацию и обслуживание, а производство электроэнергии становится дешевле.

Существует два типа цикла Брайтона: открытый цикл, в котором нагрев происходит прямо в камере сгорания, и замкнутый цикл, в котором нагрев происходит косвенно с помощью теплообменника (или нагревателя). В замкнутом цикле рабочая жидкость циркулирует в замкнутом контуре и нагревается косвенно с помощью внешнего источника тепла, аналогично работе парового цикла Ренкина.

Газовые турбины обычно работают с открытым циклом, в котором смесь топливного газа и воздуха поступает в компрессор. Тепло вырабатывается, когда топливный газ сгорает в воздухе, а отработанные продукты отводятся из турбины.

Рабочий цикл sCO₂ происходит аналогично другим турбинным циклам, но в турбомашине в качестве рабочего тела используется CO₂. Были исследованы два основных подхода к циклам, чтобы вырабатывать электроэнергию с помощью sCO₂: косвенно нагретый, цикл sCO₂ с замкнутым контуром и полузамкнутый кислородно-топливный цикл.

В простом цикле Брайтона с замкнутым контуром CO₂ (рабочая жидкость) нагревается косвенно от источника тепла через теплообменник (нагреватель), подобно тому, как пар нагревается в обычном котле. Энергия извлекается из CO₂ по мере его расширения в турбине.

CO₂, выходящий из турбины, охлаждают в теплообменнике (охладителе) до желаемой температуры на входе в компрессор. Когда CO₂ сжимается до необходимого давления, он отправляется обратно в нагреватель для завершения цикла.

В улучшенной версии простого цикла между выхлопом турбины и выхлопом компрессора добавляется рекуператор. Введение рекуператора в цикл повышает его эффективность, поскольку ощутимая часть тепла в выхлопе турбины рекуперируется и направляется, чтобы предварительно нагреть рабочую жидкость перед входом в источник тепла. Это уменьшает количество теплопотерь в охладителе CO₂.

В высокотемпературных системах рабочая среда сжимается повторно. В конфигурации цикла повторного сжатия поток CO₂ низкого давления, выходящий из рекуператора, разделяется на две части. Одна из них охлаждается в охладителе CO₂, а затем сжимается в главном компрессоре перед тем, как его нагреть в низкотемпературном рекуператоре.

Другая часть потока обходит охладитель CO₂ и сжимается повторно в компрессоре до максимального давления. Затем ее смешивают с потоком, выходящим из низкотемпературного рекуператора, и смесь проходит через высокотемпературный рекуператор и нагреватель CO₂.

При такой схеме цикла горячая и холодная стороны рекуператора работают лучше, и общая эффективность устройства повышается. Утверждается, что при оптимальном соотношении давления эффективность цикла повторного сжатия более чем на 5% выше, чем восстановительного.

Существует много других вариантов с косвенным нагревом sCO₂, при которых изменяется мощность установки в различных режимах, включающих предварительное сжатие, промежуточное охлаждение и раздельное расширение рабочей среды, чтобы адаптировать цикл к конкретным условиям.

Область применения цикла с sCO₂ широка. Им можно заменить цикл Ренкина практически везде, где он присутствует: ядерная, фотоэлектрическая, геотермальная энергетика, утилизация отработанного тепла и сжигание ископаемого топлива.

Полузамкнутый цикл Брайтона на кислородном топливе хорошо подходит, чтобы сжигать синтез-газ, природный газ или уголь, и с ним легче уловить отработанный CO₂.

Полузакрытый цикл с sCO₂, в котором топливо находится в непосредственном контакте с кислородом, может произвести больше энергии, чем цикл с косвенным нагревом, так как на входе в турбину газы имеют повышенную температуру.

 

Источник: Цянь Чжу, Инновационные системы производства электроэнергии с использованием сверхкритических циклов CO₂, Чистая энергия, Том 1, Выпуск 1, декабрь 2017 года, страницы 68–79, https://doi.org/10.1093/ce/zkx003

34.24%
2 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Фото: Силовой кабель в разъеме электромобиля для подзарядки. Markus Roider с сайта Pixabay

Полная зарядка электромобиля за 10 минут стала возможной

Обновлено: 01.02.2022
 1118
Фото: Иллюстрация оптимизированного цеолитного катализатора NbAlS-1, который обеспечивает высокоэффективную химическую реакцию для создания бутена, возобновляемого источника энергии, без расходования большого количества энергии на конверсию. Принадлежит: ORNL/Jill Hemman

Высокоэффективный катализатор для синтеза биотоплива

Обновлено: 23.05.2020
 1225
Свет падает на внутреннюю стену помещения. Pixabay.com

Тепловая масса зданий: назначение и характеристики

Обновлено: 02.02.2022
 414

Комментарии:

Alex Poliakoff

Статья пишет про комбинированный цикл и о возможности улучшения цикла Ренкина в охлаждении, и цикла Брайтона в производстве электричества из тепла. А как вам такая доказанная идея - можно и нужно отказаться (а не улучшать) от Ренкина, Брайтона и даже от Карно и перейти к новому термодинамическому циклу на основе 5 инноваций испарения и конденсации воды? Хотите подробности???

Сергей Ерилин

… канешнахочем! :)

Alex Poliakoff

Совершенствование двигателей и турбин возможно за счет 5 главных инноваций нового термодинамического цикла: горение топлива в сильно увлажненном воздухе (до 50%), охлаждение входящего воздуха до температуры "точки росы", двухфазное рабочее тело с переходом - каждая фаза идеальна для 2х разных процессов в цикле, рекуперация тепла - от корпуса (30% сбросового тепла) и от выхлопных газов (70%), замена сложного и дорогого роста мощности и эффективности за счет роста температуры и давления (цикл Карно) на дешевый и простой рост энтальпии.

Valery Anpilov

Задачи в области гидро-газодинамики многофазных сред с учетом тепло и массообмена:

- Теплообменники (газовые, жидкостные, двухфазные): определение эффективности оребрения и др. форм развитой поверхности теплообмена (сопряженный теплообмен), тепло-гидродинамический анализ сложных пространственных конфигураций теплообменных элементов и оборудования;

- Запорная и трубопроводная арматура (краны, задвижки, фитинги): определение гидравлических потерь и нагрузок (в том числе - нестационарных), нестационарные тепловые поля, оценка износа стенок и налипания частиц в двухфазных течениях.

Реакторы (объемные, каталитические, смесители):

- моделирование многокомпонентных гомогенных и гетерогенных химических реакций с учетом тепловыделения и газо-гидродинамических процессов при наличии дисперсных фаз в сложных трехмерных конфигурациях и в засыпках.

Сепараторы (газожидкостные, пылеотделители, жидкость-жидкость):

- Моделирование переноса дисперсной фазы (в том числе - при сопоставимых объемных концентрациях) с учетом сложного характера взаимодействия частиц со стенками конструкции, определение эффективности процесса и влияющих на нее критических мест.

Насосы и компрессоры (осевые, центробежные, поршневые и др.):

- Определение коэффициента полезного действия, уровня пульсаций, тепловые режимы, обнаружение проблемных мест в тракте и межлопаточных каналах;

- Горелки (газовые, жидкостные, угольные): определение формы факела, эффективности теплопередачи и концентрации продуктов реакции (включая NOx) для произвольных геометрических форм, анализ перемешивания, распыления и испарения топлив, выделения и горения летучих компонентов, гетерогенных реакций и сгорания кокса с учетом лучистого теплообмена.

Если вы хотите оставить в этой ветке свой комментарий, то, пожалуйста, напишите об этом на странице с контактами

Недавние публикации

Фото: BBQ Gourmet

Инфракрасные горелки в газовых грилях: типы, преимущества, уход

Обновлено: 15.02.2023  245
Звуковые эффекты в зданиях напрямую зависят от материалов, из которых сделаны потолки, стены, двери и другие ограждающие конструкции. Фото: Rockfon

Звукопоглощение, звукоизоляция и фоновый шум в зданиях

Обновлено: 26.07.2022  728
Тепло выделяется из оксида марганца, когда молекулы воды поглощаются слоистой структурой. Ⓒ Norihiko L. Okamoto

Вода усиливает способность материала поглощать и отдавать тепло

Обновлено: 21.04.2022  707

Популярные категории

  • Альтернативная энергия57
  • Природные ресурсы, экология и строительство91
  • Энергоэффективность и энергосбережение44
  • Новости, обзоры, события113
  • Оборудование и материалы86

Разместить статью

Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

Ссылки:

  • Контакты
  • Разместить статью
  • Конфиденциальность
VK Telegram

© 2023 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

Отправить сообщение об ошибке?

Ошибка:
Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.