Сочинение на тему Исследование эффективности углекислого газа в производстве электроэнергии
- Опубликовано: 09.08.2020
- Предмет: Наука
- Темы: физика, Электричество
Наши нынешние общества управляются электричеством и зависят от него. От питания телевизоров до мобильных телефонов, электричество поддерживает многие элементы нашей современной культуры. Хотя некоторые из этих электрических устройств питаются от батарей или солнечных батарей, почти все важные элементы повседневной жизни, как предметы роскоши, так и предметы первой необходимости, подключены к электросетям. Почти 80% мировой электроэнергии вырабатывается паровыми циклами [1]. Поэтому миллиарды долларов были вложены в НИОКР этих циклов с целью их оптимизации. Повышение эффективности на один процентный пункт может привести к экономии средств компании на миллионы долларов, а также поможет снизить выбросы ископаемого топлива. Однако в последнее время инженерам было очень трудно улучшать производство электроэнергии на основе пара. Похоже, что было достигнуто плато, и хотя до сих пор могут быть сделаны дополнительные улучшения в этих циклах, они не обеспечат существенных изменений в общей эффективности цикла.
Одним из предлагаемых решений для преодоления этого плато является замена рабочей жидкости в этих циклах, а именно пара, сверхкритической жидкостью. Преимущество использования сверхкритической жидкости заключается в ее плотности энергии. Кроме того, большие изменения в плотности могут быть достигнуты при относительно небольших изменениях температуры и давления [2]. В то время как почти любое соединение может быть превращено в сверхкритическую жидкость [3], сверхкритическая двуокись углерода (далее именуемая SCO2) хорошо интегрируется в существующие паровые циклы [2] и, таким образом, является отличным кандидатом для дальнейших исследований.
Углекислый газ является сверхкритическим, когда его температура и давление выше 31 ° C и 73 атм. Причина, по которой SCO2 хорошо вписывается в существующие паровые циклы, многогранна. Во-первых, они имеют одинаковые температуры обжига, поэтому метод нагрева SCO2 может быть очень похож на способ нагрева воды в наших текущих энергетических циклах на основе пара. Во-вторых, из-за того, что сверхкритические жидкости имеют тенденцию иметь плотности, подобные жидкостям, но поведение, подобное газам, могут использоваться все существующие конструкции насосов, компрессоров и турбин [1]. Потому что вы можете качать его, как жидкость, но он заполнит всю турбину, как газ. Однако масштаб этих элементов может быть значительно уменьшен. Предполагается, что турбина SCO2 может быть на порядок меньше, чем существующие паровые турбины [2]. Это помогает значительно снизить механическое трение, повышая фактическую эффективность цикла. С точки зрения термодинамики важнее, чем фактическая эффективность, является тепловая эффективность.
Тепловая эффективность цикла выработки энергии – это отношение количества вырабатываемой циклом мощности, нетто, к количеству подводимого тепла в цикл, Q ?. Это соотношение показано в уравнении 1 с? представляющий тепловой КПД.
Есть много способов, которыми кто-то может разработать цикл, в котором SCO2 является рабочей жидкостью; однако замкнутый цикл повторного сжатия Брайтона кажется хорошим кандидатом на эффективную выработку электроэнергии. На рисунке 1 приведена блок-схема одного из этих циклов [2].
Рисунок 1. Блок-схема рассматриваемого цикла
Чтобы иметь возможность использовать уравнение 1, блок-схему, представленную на рисунке 1, необходимо преобразовать в уравнения. Во-первых, должна быть определена чистая выходная мощность цикла,? Net. Для установки, показанной на рисунке 1, это просто мощность, генерируемая турбиной, минус мощность, потребляемая компрессорами. Это соотношение можно увидеть в уравнении 2. Предполагаемый знак здесь – это то, что выработка электроэнергии положительна, а потребление энергии отрицательно. Турбина будет вырабатывать мощность, тогда как компрессор будет потреблять мощность.
Компонентом цикла, который должен быть известен для определения эффективности цикла, является просто тепло, добавляемое к SCO2 первичным теплообменником, на рисунке 1 это представлено большим пламенем в верхнем правом углу страница. Если бы Q? In и значения, найденные в уравнении 2, были известны, было бы известно достаточно информации для определения эффективности цикла. Тем не менее, дополнительные компоненты цикла могут быть представлены математически. Делая допущения, что все турбины и компрессоры работают изоэнтропически, что трение и другие диссипативные процессы отсутствуют, и что никакие работы не происходят во время процессов теплообмена, все состояния в пределах цикла могут быть зафиксированы, и, таким образом, мощность, которую производит цикл – и тепло, которое требуется для этого – может быть решено с очень небольшим количеством начальной информации.
Следующие уравнения являются результатом вышеупомянутых допущений, в то время как некоторые объяснения будут использованы для демонстрации того, как появились эти уравнения, строгие доказательства не будут использоваться для экономии времени.
Поскольку турбины и компрессоры в цикле работают изоэнтропически, работа, которую они требуют или производят, может быть выражена как функция удельной энтальпии жидкости, входящей в компонент, как в хине, так и в выходе из него. Отрицательный знак означает, что требуется сила, в то время как положительный знак указывает на то, что сила производится. Уравнение 3 показывает это соотношение.
В цикле, предложенном на рисунке 1, массовый расход каждого компрессора и турбины различается. Это повлияет на? видно в уравнении 3. Чтобы исправить это, каждый компонент получает долю массового расхода. Турбина будет получать весь поток, так что? можно оставить в покое. Мы можем показать, что главный компрессор получает y процентов от потока, где 0
Процент массового расхода для двух компрессоров, y, можно определить, изучив теплообменник LTR. Уравнение 5 делает это, предполагая, что тепло получено или потеряно просто обменено. Энтальпии с подстрочным индексом b относятся к SCO2, которая ближе к нижней части рисунка 1, тогда как энтальпии с подстрочным индексом t относятся к SCO2 по направлению к вершине.
Поскольку все состояния могут быть зафиксированы, массовый расход для каждого элемента теперь известен, и для всей работы, производимой циклом, можно решить.
Последнее, что символически нужно решить, это скорость добавления тепла в цикл, Q? in. Эта величина также может быть просто выражена как разница энтальпий, входящих и выходящих из котла. Однако, поскольку предполагается, что добавленная теплота положительна, необходимо добавить отрицательный знак Уравнение 3, чтобы сохранить это соглашение о знаках. Результатом этого является уравнение 6.
Все изменения уравнения 6 и уравнения 4 закончились?, чего нет в уравнении 1, однако, когда все вышеприведенные уравнения объединены в правильном порядке,? отменит себя. Уравнение 7 является результатом объединения вышеприведенных уравнений для определения термического КПД в терминах энтальпий и процента отклоненного потока. Следующие индексы будут ссылаться на следующие компоненты: q для основного источника тепла, t для турбины, c1 для основного компрессора и c2 для рециркуляционного компрессора; y также может быть записан в виде энтальпии, но в целях экономии места и уменьшения беспорядка он будет сохранен как символ (помните, что его можно вычислить с помощью уравнения 5).
Уравнение 7 дает тепловую характеристику процесса, если все состояния внутри процесса известны. Хотя ранее уже упоминалось, что состояния всех компонентов процесса могут быть исправлены, здесь приводится общий обзор того, как это делается.
Во-первых, мы знаем, что минимальная температура и давление SCO2 составляет 31 ° C и 73 атм [3]. Минимальная температура и давление рабочей жидкости на рисунке 1 после охлаждения и перед основным компрессором. Максимальная температура и давление могут быть приняты равными 760 ° C и 250 атм, это произойдет сразу после основного нагревательного элемента [3]. Поскольку имеются только теплообменники, турбина и компрессоры, можно предположить, что единственные давления, присутствующие в системе, составляют 73 атм и 250 атм. Оба компрессора доводят SCO2 до 250 атм, а турбина понижает давление до 73 атм. Следовательно, давление между этими элементами теперь известно. Кроме того, энтропия до и после компрессоров и турбины остается постоянной. Это позволяет фиксировать состояние SCO2 до и после турбин и компрессоров. Затем, используя процесс, аналогичный тому, который используется в уравнении 5, состояния жидкостей, входящих и выходящих из теплообменников, также могут быть зафиксированы.
После того, как все состояния были исправлены, был рассчитан процент отклонения y, уравнение 7 готово к использованию. Используя значения, принятые выше, тепловой КПД составил 69,3%. Средний диапазон для большинства генерирующих энергию циклов Брайтона составляет 50-63% [4]. Поскольку цикл, изображенный на рисунке 1, является относительно сложным, верхний предел нормальной эффективности цикла Брайтона будет тем, с чем мы сравниваем эффективность цикла SCO2. Это приводит к увеличению эффективности на 6,3%! В настоящее время инженеры пытаются выжать десятичные улучшения процентной эффективности вне цикла, поэтому увеличение на 6,3% огромно.
Несмотря на то, что этот результат является многообещающим, и, безусловно, могут быть сделаны дальнейшие улучшения в циклах SCO2, циклы SCO2 не обходятся без их трудностей. Одна из таких трудностей заключается в том, что СО2 имеет тенденцию корродировать материалы довольно быстро [1], кроме того, сверхкритические жидкости обладают способностью диффундировать через твердые материалы, как и любой другой газ [3]. Это означает, что трубопровод, используемый для циклов SCO2, вероятно, должен быть более дорогим, чем трубопровод, используемый сегодня в большинстве циклов производства электроэнергии. Кроме того, хотя были проведены успешные испытания с турбинами меньшего размера SCO2, не было предпринято никаких попыток сделать крупномасштабное испытание [2]. Я не знаю, связано ли это с тем, что большие турбины SCO2 очень сложно спроектировать, или если просто не было необходимости в их изготовлении, значит, их не было.
Хотя есть и значительные преимущества. Выбросы твердых частиц из SCO2 значительно ниже, чем в большинстве паровых циклов [2]. В то время как использование парникового газа в качестве рабочей жидкости в цикле казалось бы неуместным с экологической точки зрения, рабочая жидкость фактически никогда не покидает цикл и, таким образом, не способна загрязнять окружающую среду. Наконец, недавно были приняты правила, которые заставят производителей энергии искать более чистые способы производства энергии, и, таким образом, циклы SCO2 будут очень прибыльными.
Несмотря на то, что могут возникнуть непредвиденные препятствия на пути производства электроэнергии SCO2, это, безусловно, интересная область исследований. Если SCO2 окажется жизнеспособным методом производства энергии, я вижу, что происходит 3 вещи. 1) Компания, которая сначала разрабатывает работоспособный цикл SCO2, заработает кучу денег; 2) воздействие на окружающую среду энергии на основе ископаемого топлива будет меньше; и 3) электричество станет более доступным, особенно в странах третьего мира. Любой из этих трех результатов заслуживает исследования, но перспектива всех трех одновременно делает циклы сверхкритической двуокиси углерода более ценными.
Есть несколько разных циклов, вокруг которых вращается Земля. Некоторые из циклов были затронуты катастрофой Фукусима-Дайхатсу. Завод в Фукусиме пострадал от землетрясения силой 9,0 балла. Растения,
Трение – это сила, которая приводит к предотвращению движения объекта. Трение повсюду, когда один объект вступает в контакт с другим, возникает трение. Сила действует в
Тиристор – это тип диода, который позволяет току течь тогда и только тогда, когда на его клемму затвора подается управляющее напряжение. Этот вид диода имеет