Перейти к содержанию
Старик Мазай

ORC цикл для малой установки

Рекомендуемые сообщения

Дата: (изменено)

Давно мучает меня такой вопрос- возможность получить хороший КПД от малой паросиловой установки на дешевом твердом топливе.  

Итак - исходные постулаты;

Первый постулат - большие паросиловые установки на электростанциях достигают КПД в 40% процентов. Это огромные многоцилиндровые турбины с промежуточным перегревом пара и сверхкритическими параметрами пара. КПД очень достойный и немного лишь уступает дизелям.  Но, в отличие от дизеля, у паровой установки такой КПД возможен на дешевом твердом топливе. Пар - Давление до 260 бар и температура под 560 град С. 
Понятно, что в малой установке мы никогда не сможем дойти до таких параметров пара- либо установка должны быть предельно высокотехнологично сделана и крайне дорогая по затратам - и  и на это никто не пойдет. Т.е. - на малой установке использовать закритические параметры пара нереально. Следовательно высокий КПД под 40 % для малой установки на водяном паре создать невозможно. 

 Но вот Второй Постулат: - а если попробовать использовать вместо воды и ее паров применить легкокипящие жидкости.  Интуиция подсказывает мне - что наверное процентов 20%  КПД в виде механической мощности получить наверное возможно, и это для малой установки в глуши- которая использует бросовое и дешевое местное топливо  - будет очень хорошо.

      Попробую обосновать свои наития следующими соображениями: по циклу Карно- чем выше температура верхней точки подвода  тепла в цикле и чем ниже температура нижней точки цикла- тем с большей пользой используется тепло.  Поэтому и лезут на электростанциях в предельный перегрев пара- чтобы дойти до 560 °С, подвода тепла. Выше уже нельзя- сталь котельных трубок не выдерживает.  Красностойкость металла не дает выше греть.   В конденсатор отводят пар с Т примерно 130-150 °С, - и вот вам теплоперепад  примерно в 400 °С,- который можно преобразовать в работу на валу турбины. И это дает КПД в 40%.

Но у жидкостей есть такой параметр как скрытая теплота парообразования- которая сжирает основную часть подводимого тепла без пользы. Именно поэтому на паровых электростанциях задирают температуру и давление пара- воды выше критических, чтобы как можно выше залезать вверх от этих критических параметров.   У воды это Т - 374 °С, и Р - 218 бар. Если не залезать выше этих параметров- то будет КПД как у паровозов, или лишь немного лучше...

Т.е.- основная моя мысль- что для КПД паро-силовой установки надо не просто иметь параметры пара как можно выше, но и ОБЯЗАТЕЛЬНО выше Т и Р критической точки.  А у воды  они таковы - что в малой силовой установке мы никак не залезем выше 374 град и 218 бар...   Поэтому все малые установки будут с КПД чуть лучше паровозных (это при большом оптимизме).

     Но если тогда искать выход  из тупика с КПД - то нужно искать ТАК: Возьмем органическую жидкость у которой Т и Р критической точки значительно ниже. чем у воды... Наша задача выйти выше этой точки и перегреть пары такой жидкости и получить рабочее тело без потерь в виде скрытой теплоты парообразования на ее получение.   но при этом есть другое- ограничение - у такой жидкости перегрев должен идти до температуры ниже температуры ее термического разложения.  

Вот пример такого прикидочного подсчета: Возьмем обычный этиловый спирт-  скрытая теплота парообразования - меньше чем в воды в 3.5 раза - всего 840 кдж/кг . При этом параметры критической точки - значительно ниже- Ткр-241 °С,   Ркр– 63 атм. Спирт кипит при Т - 78  °С,  А справочник показывает. что пары спирта начинают разлагаться от нагрева при 600 °С.

   А теперь моделируем схему цикла малой паровой установки с конденсатором -  спирт вскипает при 78 °С, мы  в котле перегреваем пар до 400 град- что вполне переносимо для стали котла. И держим давление примерно в 80 бар. Что тоже вполне посильно для современной малой техники. В конденсатор отправляем пар с Т с 100 °С, Итого - мы получаем теплоперепад  (400 минус 100) 300 град.  ( а на больших электростанциях - 400 град). При этом мы на 160 град превысили Т критической точки. (А у больших электростанций- 560 минус 374 - это 280 град).  Но напоминаю- что Т разложения спирта - 600 °С, поэтому перегревать можно и выше, лишь бы выдержал котел...

 Т.е. получается- что все параметры теплоперепада  и уровень  преодоления параметров критической точки- у такой малой установки. будут всего на 30-40% хуже, чем у большой станции с турбиной, которая дает КПД в 40%.. Следовательно - можно ожидать. что малая установка с рабочим телом на спирте выдаст никак не менее 20% КПД....

   ПЕРСПЕКТИВА: - этиловый спирт- я взял ля примера. Я не химик и не специалист во всяких фреонах- хладонах.  Полагаю- что сейчас можно найти  легкокипящие жидкости. которые кипят при 40-60 °С, имеют в 2-3 раза меньшую скрытую теплоту парообразования, чем спирт и очень невысокие критические Т и Р. И при этом не разлагаются при нагреве до 400-500 °С... Я думаю- что если найти такую жидкость - то на сравнительно невысоких температурах и давлениях можно получать достойный КПД малой паровой установки. если такая установка будет давать 20-25 % КПД от сжигания местного твердого дешевого топлива- то это будет очень большой успех в деле малой автономной электрогенерации.

Например- фреон R123 - Т кипения- 29 °С,скрытая теплота парообразования - 171 кДж/кг (в 13 раз лучше чем у воды) , Ткрит  - 182 °С, Ркрит  –  35,6атм. Но вот Т термического разложения паров этой жидкости я нигде не нашел.

ВЫНОШУ ЭТОТ ВОПРОС на всеобщее обсуждение.  Пока специально не рисовал тут T-S тепловые диаграммы- вначале нужно понять концептуальную состоятельность такого подхода. Мне он кажется вполне разумным- но ГЛАВНАЯ ТРУДНОСТЬ я вижу- в поиске такого легкокипящего  вещества (фреона)- который бы смог дать наилучшие термодинамические параметры для достижения наивысшего КПД при относительно невысоких параметрах рабочих Температуры и Давления.  Для такого дела надо искать где-то продвинутых химиков- органиков и спрашивать их

 

Спойлер

 

 

Изменено пользователем Старик Мазай

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)

По моим скромным знаниям, все так. Находил даже (filetype:PDF Working Fluids for Organic Rankine Cycle) про выбор вещества для ОЦР, там множество веществ рассматривается для этого дела, в том числе и спирт, который, насколько я помню, не так уж плохо себя показывает на фоне его низкой цены и способности добывать его самостоятельно. Если самостоятельно не находится документ (надо скопировать все выделенное жирным шрифтом выше), могу поискать у себя среди скачанных. Не всегда их можно легально получить, надо использовать sci hub

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)

Устройство установки ОЦР может выглядеть примерно как устройство холодильника: экспандер (расширятор) вместе с генератором располагается внутри герметичного корпуса (ресивера), препятствуя потере рабочего вещества в окружающую среду. Я не уверен, но прототип можно сделать прямо на базе компрессора от холодильника - для этого нужно распилить ресивер, сделать там систему газораспределения, тепловые зазоры, а потом запечатать обратно. Внешний контур радиатора можно оставить, поместив  его в воду, и обеспечив ее охлаждение, а вот контур нагрева надо будет новый строить.

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
3 часа назад, EvilSpirit сказал:

Находил даже (filetype:PDF Working Fluids for Organic Rankine Cycle) про выбор вещества для ОЦР, там множество веществ рассматривается для этого дела,

С этим такая ситуация- я перерыл серию научных статей (их и не так много) на русском языке.  Новых мало- в основном они написаны лет 10 -15 назад. Причем все они написаны методом интеллектуальных спекуляций-  берется масса прежних научных статей и отчётов (в основном англоязычных) , делается некий анализ и потом следует свежий вывод на основе старого материал... Так вот эти статьи 10 летней давности цитируют источники 20-30 летней давности.. И там описываются хладоны- фреоны, которые или запрещены к производству и продаже лет 6 - 8 -10 назад как озоноразрушающие по Киотскому протоколу и их нигде не достать. Либо это это крайне горючие и пожароопасные вещества типа пентана...   Поэтому с выбором легкокипящей жидкости есть определенные трудности.

     Теперь - по расширительным машинкам - выкладываю скан - нарезку из одной относительно свежей научной статьи- там в единственном этом материале делается анализ НЕ Турбинных расширителей - роторных и поршневых машинок. Все остальные статьи описывают только турбины мощностью от 1 МВт. и выше..

Сканы статьи прикладываю. В итоге своих раздумий авторы статьи (профессора Сибирского Красноярского политеха) - делают вывод, что лучшим расширителем на их звзгляд будет спиральная машина

1.-1.jpg 

1-2.jpg 

Изменено пользователем Старик Мазай

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)

Да не надо нам никаких специальных расширяторов для ОЦР, это отдельная тема, ничего лучше поршня не придумали, все остальное - это торг простоты / дешевизны со сложностью и хорошими характеристиками. Все, кто исследует ОЦР почему-то ищут новых ощущений, экспериментируя с расширяторами, но мухи отдельно (расширяторы), суп отдельно (ОЦР как физика процесса, позволяющая получать бонусные проценты к КПД за счет применения низкокипящих жидкостей с низкой температурой перегретых паров и отрицательным наклоном этой самой характеристики, в которой я еще слабо разбираюсь, но уже примерно понимаю)

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

А нету такого вещества у химиков. Все известные в той или иной степени имеют серьёзные недостатки. Пары спирта взрываются, при указанных T и P даже без искры, ошмётков не найдут. Фторорганика (фреон 134) взрывается при высоких температурах, распадается на боевые отравляющие вещества и жрёт любой металл. Аммиак не взрывается (уже хорошо), хорошо абсорбируется в воду, но крайне ядовит в высокой концентрации (+давление и температура), жрёт магний и алюминий.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
9 часов назад, malaxit сказал:

А нету такого вещества у химиков.

И понятно почему. Наверняка, вложи кто-нибудь деньги в исследования ОЦР, вещество мигом бы нашли / синтезировали. Но индивидуальная энергетика в мире не распространена, видимо, кому-то это не выгодно. А может быть и никому не выгодно, кроме тех, кто понимает и думает об энергетической независимости. Я вчера купил бензоплилу на ДВС за 3000рублей, там 2.2КВт мощности. А личный генератор на мощностью 100 Ватт на человека (прожиточный минимум) в режиме постоянной генерации - ни за какие деньги. Я про бензиновые не говорю, можно, но 300 г/(квт*ч) явно не пахнут ни экологией, ни независимостью (покупка/хранение/перевозка), ни доступностью

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
11 часов назад, malaxit сказал:

А нету такого вещества у химиков. Все известные в той или иной степени имеют серьёзные недостатки. Пары спирта взрываются, при указанных T и P даже без искры, ошмётков не найдут. Фторорганика (фреон 134) взрывается при высоких температурах, распадается на боевые отравляющие вещества и жрёт любой металл. Аммиак не взрывается (уже хорошо), хорошо абсорбируется в воду, но крайне ядовит в высокой концентрации (+давление и температура), жрёт магний и алюминий.

СО2 кажется подойдет. Не горит, не взрывается, не разлагается, не ядовит, не агрессивен к металлам, добывается из огнетушителей. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
26 минут назад, _sla сказал:

Пары спирта взрываются, при указанных T и P даже без искры

Без кислорода?

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
26 минут назад, dm99 сказал:

Пары спирта взрываются, при указанных T и P даже без искры

это сказал malaxit, но я с ним соглашаюсь, так как могут быть утечки. Хотя вероятно герметичный контур, включая генератор, должен быть при любом не водяном рабочем теле.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
16 часов назад, malaxit сказал:

А нету такого вещества у химиков. Все известные в той или иной степени имеют серьёзные недостатки.

такое мнение сформировано видимо полным отсутствием развития этого направления в нашей стране. Вот таблица из научной статьи с перечислением крупных фирм - производителей таких установок из США и Европы и перечислением видов органических жидкостей, которые там применяются.

   На этом фоне - наша задача понять- какие из списка подобных веществ можно применить в малых поршневых или ротационных установках в наших скромных условиях.
 

1-3.jpg 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
10 минут назад, Старик Мазай сказал:

На этом фоне - наша задача понять- какие из списка подобных веществ можно применить в малых поршневых или ротационных установках в наших скромных условиях.

Я бы сказал, что можно использовать любое, даже взрывоопасное рабочее тело. Если использовать двухконтурную схему: нагревать его водой из котла. Как мы где-то в соседней теме обсуждали. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
21 минуту назад, Старик Мазай сказал:

наша задача понять- какие из списка подобных веществ можно применить

Спирта в этом списке нет, но для самодельного ОЦР, я бы все же выбрал спирт, по критериям доступности и неядовитости. Проблема взрывобезопасности паров решается проветриванием.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
7 часов назад, _sla сказал:

я бы все же выбрал спирт, по критериям доступности и неядовитости

Спирт у них есть в разных списках. Еще пентан у них хорошо заходит. А поэтому вопрос: пропан-бутановая смесь чем плоха? Кажется, хорошо кипит в баллончике от тепла человеческого тела )

Вот здесь пишут про пропан хорошо:

image.thumb.png.17a62627ed49c0679dd781e7d0900f69.png

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Делали и будут делать. Из не эгзотики - компрессор кондиционера а/м хонда сивик, от 1992 года, улитка. Убирается клапан и готовая машинка. В оригинале на р134, на нем выдает до 5% кпд итого и пару сотен ватт. Температуры 20/120. Больше никак. Масло долго не держит. Насос только мудрить нужно.. нету готовых на такие микро потоки..

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
10 часов назад, EvilSpirit сказал:

А поэтому вопрос: пропан-бутановая смесь чем плоха?

Очень даже хороша. Но Старик Мазай, кажется говорил про механическую мощность. То есть, как я понимаю, есть необходимость вывести вал из герметичного контура наружу.  Вопрос утечек рабочего тела при этом будет стоять в полный рост, особенно для какого нибудь лесного домика.

/ Хотя, если решать задачу энергонезависимости удаленных поселений, на мой взгляд не стоит связываться даже с ОЦР, а использовать в паровой машине все ту же классическую водку пардон, воду. Причина - все компоненты должны быть доступны, а машина не должна требовать сложного ремонта /

Изменено пользователем _sla

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
1 час назад, _sla сказал:

Хотя, если решать задачу энергонезависимости удаленных поселений, на мой взгляд не стоит связываться даже с ОЦР, а использовать в паровой машине все ту же классическую водку пардон, воду. Причина - все компоненты должны быть доступны, а машина не должна требовать сложного ремонта /

Про отдаленное рыбацко-охотничье стойбище тут спору нет. Но я открыл эту тему именно про ORC цикл.    Ибо малая паровая техника будет загнана в дальний угол тех прогресса пока она будет иметь КПД в 3 -5%... Но вот первичные прикидки показывают-= что если удастся поднять на ORC цикле КПД до 20-22 %, то это будет мощный толчок к ее развитию. Ибо КПД в 23-25 % - это уже бензиновый двухтактный двигатель, только с дорогим моторным топливом.

Вижу первичный вариант использования недорогой и технологичный- это этиловый спирт. Но вот очень интересно- а что может быть еще из доступного (относительно) и несложного в применении. Но это больше вопрос к химикам, а тут их (на этом форуме) видать нет...

Изменено пользователем Старик Мазай

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
1 час назад, Старик Мазай сказал:

Вижу первичный вариант использования недорогой и технологичный- это этиловый спирт. Но вот очень интересно- а что может быть еще из доступного (относительно) и несложного в применении. Но это больше вопрос к химикам, а тут их (на этом форуме) видать нет...

Давайте просто остановимся на спирте. Его можно залить даже в ПМ классической конструкции и посмотреть разницу в экономичности с водой. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
2 часа назад, Старик Мазай сказал:

Но это больше вопрос к химикам, а тут их (на этом форуме) видать нет...

К сожалению, химики изучают немного другую сторону процесса... Тут нужны физики-экспериментаторы. А тут уже пахнет тем, что мы сами можем разобраться. Я давно готов приложить усилия и финансы в данном направлении, но, к сожалению, не так много свободного времени, чтобы осваивать новые профессии, вроде токаря-фрезировщика. Электроника, программное обеспечение - это пожалуйста. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
3 часа назад, Старик Мазай сказал:

Но вот первичные прикидки показывают-= что если удастся поднять на ORC цикле КПД до 20-22 %

Никак на домашних маслах/ бытовых рабочих телах.

С этим https://ru.wikipedia.org/wiki/Трихлорфторметан по мне коло 10% получили. Но она ни как не бытовое.. Еще на гексане / октане (нефрас) работали, тоже кпд чуть выше... Но тоже до десятки..

Тут наверно только вода, без масла совсем и температуры / давления повыше.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)

Друзья-товарищи, 10% - это очень и очень круто, ведь тут речь идет об энергии из кизяка и веток! 

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
В 13.07.2021 в 11:24, EvilSpirit сказал:

энергии из кизяка и веток! 

газогенератор решает проблему с бОльшей, чем 10% эффективностью, поэтому надо целить на 20%, не меньше. Но достигнув их, мы побиваем газогенераторную установку в компактности, за счет ликвидации микрокомбината по очистке/охлаждению газа, более тихой работе и, вероятно в надежности и меньшего износа расширятора в сравнении с ДВС подпитываемым легким абразивом.

ОЦР имеет только относительное преимущество перед водой за счет бОльшей степени карнотизации процесса. То есть, если у воды отношение КПД ц. Ренкина к КПД по Карно около 40-45%, то у ОЦР может достичь 70%. Такой расклад позволяет при меньших верхних температурах иметь КПД цикла сопоставимый с циклом на воде с бОльшими температурами. Но максимальная температура средних хладонов/орг.раб. тел около 350С. Когда были сделаны опытные образцы подобных установок для автомобиля они показали более низкую конечную экономичность, чем водяные и от ОЦР отказались. То есть там где мы можем нагреть раб тело до 500 и выше лучше применять воду. Кстати упомянутый СО2 весьма достойный конкурент воде, но он требует охлаждающей воды с температурой не выше 22-25 градусов Цельсия и относительно большого среднего давления в системе.(по нижней стороне около 60атм), 

Ещё у автора темы ошибка в том что на электростанции нижняя температура 120-130 градусов. Нет, она около 50-60 градусов, 130С могут быть только на противодавленческих турбинах ТЭЦ, где эта температура используется для подогрева сетевой воды.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
9 часов назад, Паровичкофф сказал:

газогенератор решает проблему с бОльшей, чем 10% эффективностью,

Допустим, для меня и дизель/бензин-генератор решает проблему. Но он не может питаться тем же топливом, что и мой дом, он шумный, токсичный выхлоп, ему нужно специальное помещение, где его расположить, нужно где-то хранить топливо, и т. д. и т. п. С газогенератором все примерно так же, только надо еще печь специальную. Я согласен на 5%, при средней тепловой мощности отопления в 10Квт, полученные 500Вт полностью покрывают потребности моего домохозяйства (360 КВт * ч в месяц)

Как лично я вижу эти системы: у них должна быть возможность подключения либо в систему отопления (бойлер косвенного нагрева - котел + бойлер косвенного нагрева - конденсатор), либо подключение в дымоход (использование тепла дымовых газов).

Изменено пользователем EvilSpirit

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Дата: (изменено)
14 часов назад, Паровичкофф сказал:

ОЦР имеет только относительное преимущество перед водой за счет бОльшей степени карнотизации процесса. То есть, если у воды отношение КПД ц. Ренкина к КПД по Карно около 40-45%, то у ОЦР может достичь 70%. Такой расклад позволяет при меньших верхних температурах иметь КПД цикла сопоставимый с циклом на воде с бОльшими температурами. Но максимальная температура средних хладонов/орг.раб. тел около 350С. Когда были сделаны опытные образцы подобных установок для автомобиля они показали более низкую конечную экономичность, чем водяные и от ОЦР отказались

Водяной пар может выжимать большой КПД на закритических параметрах, а они реально достижимы только на очень больших установках в десятки МВт мощности. И вряд ли для  на автомобилях возможны  установки  мощностью в 50-100-150 КВт  чтоб там была  температура выше 400  град и и давление выше 220 бар.   Поэтому с чем сравнивать малые установки с ORC циклом, которые будут иметь мощность 50-100-200 квт?.

14 часов назад, Паровичкофф сказал:

Но максимальная температура средних хладонов/орг.раб. тел около 350С.

я же писал в топовом своем посте- что  справочник показывает. что пары спирта начинают разлагаться от нагрева при 600 °С. А хладон -20 (трихлорметан) выдерживает нагрев без разложения до 450 °С.   Вот вам минимум два достойных претендента на рабочее тело с приличным перепадом температур. Уже 15-20 %  КПД малой паросиловой установки на каждом из них думаю можно получить.

Изменено пользователем Старик Мазай

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
8 часов назад, Старик Мазай сказал:

И вряд ли для  на автомобилях возможны  установки  мощностью в 50-100-150 КВт  чтоб там была  температура выше 400  град

Система Джея Картера, котел выдавал пар с температурой 600С и давлением 160бар. 

Что касается спирта, попытки были, но почему то дело заглохло. Не помню в чем там была засада. Кажется дело в том, что спирта для получения той же мощности надо прогнать через расширитель втрое-пятеро больше, поэтому существенного выигрыша не происходит и суммарное количество разсеиваемого тепла конденсации получается примерно такое же. 

Вообще говоря ОЦР имеет свою нишу, но возникают свои специфические сложности с герметизацией, дороговизной/ядовитостью рабочего тела и не превышением температуры разложения, а КПД 20% достижим для малой установки и на воде. И сверхкритика для этого вовсе не нужна. 70-100бар&500-550С достаточно.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Регистрация нового пользователя

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Войти

  • Последние посетители   0 пользователей онлайн

    Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

×
×
  • Создать...

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.