Наш новый фреоновый паровоз (2)

Иногда просто удивительно, насколько люди готовы основывать универсальность своих знаний об окружающем их мире на примерах из повседневной жизни.

Например, у каждого перед глазами при словах "Наш паровоз вперёд летит", скорее всего, встанет перед глазами вот такая картинка:



А теперь - гипотетически представьте себе, что вместо обычной для паровоза воды мы зальём в локомотив фреон и заставим его кипеть в котле и давить на поршни паровоза. Что поменяется на верхней картинке?

(спойлер: У паровоза пропадёт "дым из трубы". Который, не дым, а водяной пар. Который, на самом деле - сконденсировавшиеся в результате расширения водяного пара мельчайшие капельки жидкой воды.)



Фреон, в отличии от воды, при расширении в турбине или паровой машине, не конденсируется до состояния жидкости. Это его базовое термодинамическое отличие от воды, которое, как мы поймём ниже, позволяет проделывать с фреонами некоторые инженерные фокусы, которые невозможно проделать с водой.

Конденсация воды в поршневой паровой машине в конце цикла расширения пара, в принципе, безвредна. В конечном счёте, Steampunk даже как-то немыслим без весёлого паровозика, мчащегося куда-то в красивых клубах водяного пара (точнее - водяного конденсата, но это уже, я надеюсь, понятно всем читающим). Правда, КПД паровозика, как мы помним, всё-таки оказывается ниже всяких разумных пределов, потребных для нового общества, которое уже будет лишено на переходном этапе "от нефти к термояду", дешёвой и доступной первичной энергии.

Внутри же вращающейся с высокой скоростью паровой турбины, которая как раз даёт нам пристойный КПД получения электроэнергии, конденсация водяного пара на последних ступенях не приводит ни к чему хорошему. Именно поэтому тепловые электростанции крайне неохотно любят опускать ниже 30% от их номинала - на таких режимах работы конденсация водяного пара на последних ступенях паровых турбин приводит вот к таким печальным последствиям:



Как видите, даже высококачественная сталь буквально "разъедается" водяным конденсатом - в реалиях работы современных паровых турбин мельчайшие капельки иногда врезаются в их лопасти на скоростях, близких к скорости звука.

С чем же связано такое уникальное качество фреона?
Тут нам надо будет немного погрузиться в термодинамику - я лишь постараюсь изложить все детали процессов максимально доступно для неподготовленного читателя. Если у кого-то в процессе изложения термодинамических приколов и закосоввдруг повиснут интеллектуальные паруса - можно сразу идти к выводам. Они - в конце статьи, жирненьким. ;)

Любая тепловая машина работает в рамках какого-нибудь термодинамического цикла. Если мы говорим о "холостом ходе дизеля - 400 оборотов в минуту", то это означает, что наш дизельный мотор успевает за 1 минуту совершить 400 термодинамических циклов имени товарища Дизеля. Эти циклы Дизеля в нашем двигателе последовательно включают в себя фазу всасывания воздуха, фазу его сжатия, впрыск дизельного топлива, фазу рабочего хода и фазу удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя. При этом полезную работу двигатель Дизеля совершает только на фазе рабочего хода, а все остальные фазы необходимы только для обеспечения работы самого устройства.


Диаграмма T-s идеального цикла Дизеля. Полезная работа совершается на участке CD. Объяснение смысла диаграммы T-s - ниже по тексту.

При увеличении числа оборотов растёт число циклов Дизеля за единицу времени - мы можем снимать с двигателя большую мощность, даже если в каждом из циклов мощность будет неизменной.

Идеальным циклом тепловой машины является так называемый цикл Карно. Это - идеальный случай тепловой машины, "альфа и омега" прикладной термодинамики, её священный Грааль и сферический конь - одновременно. В реальности он нигде не реализован, но абстракция этого цикла очень важна для оценки всех прикладных идей, как, например, важна абстракция математической точки для доказательства всех теорем геометрии.
Цикл Карно

Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.

Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s), в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:


Цикл Карно. АБ-передача энергии рабочему телу, БВ-расширение рабочего тела, ВГ-забор энергии от рабочего тела, АГ-сжатие рабочего тела.

Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников АБВГ (это и есть полезная работа цикла) и АБS2S1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла. Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой БВ. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.

Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:

1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник АБВГ).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник ВГS1S2 ).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.

Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".

Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим, то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:

Цикл Ренкина паровой турбины на воде - расположен внутри красной кривой 1-2-3-4. Расширение пара - участок 3-4.

Цикл Ренкина

В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону. На первом графике фаза полезной работы в цикле поршневой машины или турбины - это кривая 3-4.

Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию (что и показано прямой 4-1). Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.

Поэтому, в момент прохождения "точки росы" пар из рабочего механизма (турбины или цилиндра) - желательно удалить и использовать его дальше или в теплообменнике, или в конденсаторе, замкнув термодинамический цикл.

У воды в этот момент времени температура уже ниже точки кипения и поэтому напрямую использовать оставшееся в рабочем теле тепло для целей, отличных от отопления или поставки горячей воды населению, - невозможно.

Для увеличения КПД классического цикла Ренкина на воде приходится придумывать различные "фокусы" в дополнение к обычному расширению насыщенного пара - дополнительно перегревать пар, ставить второй перегрев пара после первой ступени расширителя, срабатывать пар неполностью и использовать часть тепла пара на "догрев" поступающей в цикл воды.
Все эти возможности можно наглядно посмотреть здесь:

Перегрев пара

Двойной перегрев пара

Двойной перегрев пара с регенерацией

Такими "фокусами" некрасивую диаграмму цикла Ренкина для воды пытаются хоть как-то "подтянуть" по площади к идеальному прямоугольнику цикла Карно. Но всё равно, на прямоугольник получается не очень похоже...

А вот органические теплоносители (фреоны и углеводороды) оказываются в этом отношении гораздо интереснее воды - их близкое к изэнтропическому расширение в поршневой машине или турбине ведёт не в область насыщенного пара ("горбатая гора" на водяном графике T-s), а в область пара перегретого. Гора оказывается не просто "горбатая", но ещё и "пьяная":

Цикл Ренкина на пентане - кривая 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - расширение рабочего тела через турбину или поршень. 6-7 - рекуперация тепла через теплообменник. Как видите, цикл - почти прямоугольник!

Что такое перегретый пар? Это пар, который, даже при самом жгучем своём желании не может сконденсироваться в жидкость. Хотите пример? Сухой лёд. При атмосферном давлении двуокись углерода может быть или газом (перегретым паром) или твёрдым телом (сухим льдом). Все попытки перевести её в жидкое состояние будут безуспешны. Она этого не хочет. Поэтому, как оказывается углеводород - это ещё мало того, что топливо, так ещё и очень хорошее рабочее тело для тепловой машины!

То есть, если, использовать цикл Ренкина на фреонах (или углеводородах), то можно вообще не беспокоиться о конденсации рабочего тела в турбинах. Более того - для того, чтобы замкнуть этот цикл, даже приходится искусственно отбирать тепло у фреонов, строя теплообменник после расширяющего устройства - турбины или поршня.

В процессе рекуперации тепла и отборе его от перегретого пара пентана происходит "бесплатное" испарение следующей порции рабочего тела, необходимой для начала следующего рабочего цикла, то есть тратить на это дополнительную и немалую энергию, как это происходит  в случае с водой, не приходится.

Поэтому - для органического цикла Ренкина лучше иметь хороший теплообменник-рекуператор, а расширитель (турбина, поршень) может быть и весьма среднего качества (а значит - может быть дешёвым и небольшим по размеру) - лишь бы такой расширитель не заставлял помпу качать уж слишком много рабочего тела.

При этом - поскольку теплообменник обычно не содержит движущихся или вращающихся частей - сделать его хорошо гораздо легче, чем поршневую машину или турбину.

Таким образом, в качестве выводов можно сказать следующее:

1. Фреоны, в силу низких температур кипения, могут принципиально работать с гораздо более низкими температурами нагревателей (это очень важно!) и охладителей(это супер важно для России!).
2. Фреоны не создают проблем с конденсацией рабочего тела внутри рабочих органов тепловых машин.
3. Фреоны позволяют сделать тепловые машины дешёвыми, простыми и легко масштабируемыми до небольших размеров.

Закончив с теорией, в следующем материале обратимся к практике. В котором мы узнаем о солнечном Израиле, туманной Аляске и 5 атомных энергоблоках компании "Газпром". ;)