Наш новий фреоновий паровоз (2)

Іноді просто дивно, наскільки люди готові засновувати універсальність своїх знань про навколишній світ на прикладах з повсякденного життя.
Наприклад, у кожного перед очима при словах "Наш паровоз вперед летить", швидше за все, стане перед очима ось така картинка:

А тепер - гіпотетично уявіть собі, що замість звичайної для паровоза води ми заллємо в локомотив фреон і змусимо його кипіти в казані і тиснути на поршні паровоза. Що зміниться на верхній картинці?

(Спойлер: У паровоза пропаде "дим з труби". Який, які не дим, а водяна пара. Який, насправді - сконденсувати в результаті розширення водяної пари дрібні крапельки рідкої води.)
Фреон, на відміну від води, при розширенні в турбіні або парову машину, не конденсується до стану рідини. Це його базове термодинамічне відміну від води, яке, як ми зрозуміємо нижче, дозволяє проробляти з фреонами деякі інженерні фокуси, які неможливо виконати з водою.
Конденсація води в поршневий паровий машині в кінці циклу розширення пара, в принципі, нешкідлива. В остаточному підсумку, Steampunk навіть якось немислимий без веселого паровозика, що мчиться кудись в красивих клубах водяної пари (точніше - водяного конденсату, але це вже, я сподіваюся, зрозуміло всім читає). Правда, ККД паровозика, як ми пам'ятаємо, все-таки виявляється нижче всяких розумних меж, потрібних для нового суспільства, яке вже буде позбавлене на перехідному етапі "від нафти до термоядерним", дешевою і доступною первинної енергії.
Усередині ж обертається з високою швидкістю парової турбіни, яка як раз дає нам пристойний ККД отримання електроенергії, конденсація водяної пари на останніх щаблях не призводить ні до чого хорошого. Саме тому теплові електростанції вкрай неохоче люблять опускати нижче 30% від їх номіналу - на таких режимах роботи конденсація водяної пари на останніх щаблях парових турбін призводить ось до таких сумних наслідків:

Як бачите, навіть високоякісна сталь буквально "роз'їдається" водяним конденсатом - в реаліях роботи сучасних парових турбін дрібні крапельки іноді врізаються в їх лопаті на швидкостях, близьких до швидкості звуку.
З чим же пов'язане таке унікальне якість фреону?
Тут нам треба буде трохи зануритися в термодинаміку - я лише спробую викласти всі деталі процесів максимально доступно для непідготовленого читача. Якщо у кого-то в процесі викладу термодинамічних приколів і закосоввдруг повиснуть інтелектуальні вітрила - можна відразу йти до висновків. Вони - в кінці статті, жирненьким. ;)
Будь-яка теплова машина працює в рамках якого-небудь термодинамічної циклу. Якщо ми говоримо про "холостому ході дизеля - 400 оборотів в хвилину", то це означає, що наш дизельний мотор встигає за 1 хвилину зробити 400 термодинамічних циклів імені товариша Дизеля. Ці цикли Дизеля в нашому двигуні послідовно включають в себе фазу всмоктування повітря, фазу його стиснення, впорскування дизельного палива, фазу робочого ходу і фазу виведення відпрацьованих газів з циліндрів двигуна. При цьому корисну роботу двигун Дизеля робить тільки на фазі робочого ходу, а всі інші фази необхідні тільки для забезпечення роботи самого пристрою.

Діаграма Ts ідеального циклу Дизеля. Корисна робота відбувається на ділянці CD. Пояснення сенсу діаграми Ts - нижче по тексту.
При збільшенні числа обертів зростає число циклів Дизеля за одиницю часу - ми можемо знімати з двигуна велику потужність, навіть якщо в кожному з циклів потужність буде незмінною.
Ідеальним циклом теплової машини є так званий цикл Карно. Це - ідеальний випадок теплової машини, "альфа і омега" прикладної термодинаміки, її священний Грааль і сферичний кінь - одночасно. В реальності він ніде не реалізований, але абстракція цього циклу дуже важлива для оцінки всіх прикладних ідей, як, наприклад, важлива абстракція математичної точки для доказу всіх теорем геометрії.
цикл Карно
Запропонував цей цикл для оцінки теплових машин в середині XIX століття французький вчений Сади Карно. Цикл має на увазі, що розширення, стиснення, передача енергії робочого тіла і паркан надлишкової енергії від нього йдуть максимально (в ідеалі - нескінченно) довго і без будь-яких додаткових втрат на тертя, догляд енергії через стінки робочого об'єму та ін. Ясна річ, реалізувати такий цикл в рамках реальної теплової машини неможливо - і, в результаті, за фактом людство використовує quick and dirty ways у вигляді реальних термодинамічних циклів, в тій чи іншій мірі є сурогатами ідеального циклу Карно.
Для зручності розрахунків все термодинамічні цикли малюють в спеціальних координатах "температура-ентропія" (Ts), в яких їх зручно аналізувати і порівнювати між собою. Наш еталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, гарний і лаконічний:

Цикл Карно. АБ-передача енергії робочого тіла, БВ-розширення робочого тіла, ВГ-паркан енергії від робочого тіла, АГ-стиснення робочого тіла.
Цикл Карно дозволяє отримати максимальний ККД теплової машини при заданих температурах нагрівача і холодильника. Якщо хтось хоче зрозуміти - чому, може самостійно вивчити всі винайдені людством термодинамічні цикли і порівняти їх з задумкою Саді Карно. Для нашого, суто прикладного розуміння, досить знати, що даний максимальний ККД визначається відношенням площ прямокутників АБВГ (це і є корисна робота циклу) і АБS2S1 (це - загальна енергія, витрачена на цикл). З цього випливає, що чим ближче реальний цикл до "прямокутника Карно", тим більший ККД ми можемо очікувати від такого циклу. Корисна робота в циклі Карно, як і в циклі Дизеля здійснюється тільки на одній ділянці - на прямий БВ. До речі, заднім числом, подивившись на діаграму циклу Дизеля в координатах Ts можна зрозуміти, чому ми так любимо старого - його діаграма нехай і не прямокутник Карно, але дуже старається їм бути.
Тому, якщо ми хочемо піднімати ККД теплових машин (а ми пам'ятаємо, що ККД первинної енергії все одно буде неминуче падати і тому нам треба буде в майбутньому боротися за кожен відсоток ККД в подальшому перетворенні первинної енергії), то з термодинамічної математики у нас для цього є всього три шляхи:
1. Підвищувати температуру нагрівача (збільшувати прямокутник АБВГ).
2. Знижувати температуру охолоджувача (зменшувати прямокутник ВГS1S2).
3. Використовувати більш "прямокутні" термодинамічні цикли.
Класичне робоче тіло - вода, широко використовується зараз в теплових турбінах, має дуже неприємну криву в координатах Ts (температура-ентропія). Нижче, на малюнках все видно наочно, але я поясню все "на пальцях".

Процес розширення пари будь-якої речовини - будь то води або будь-якого органічного робочого тіла - намагаються зробити максимально ізентропіческім, тобто провести практично без механічних або теплових втрат. На діаграмі Ts цей процес відповідає вертикальної прямої, а значить, наш цикл в цій частині буде добре повторювати "ідеальний прямокутник Карно". Ізентропіческому процесу відповідає ідеальна адіабата - тобто процес вільного розширення газу або пари. Ось приклад реального циклу Ренкіна, який використовують зараз в парових турбінах. На відміну від циклу Дизеля, який прив'язаний до кожного обороту двигуна внутрішнього згоряння, цикли турбін неперіодичних, тобто вони показують лише усереднене рух всього робочого тіла в циклі. Але для термодинаміки це ніякої ролі не грає:

Цикл Ренкіна парової турбіни на воді - розташований у межах червоної кривої 1-2-3-4. Розширення пара - ділянку 3-4.
цикл Ренкіна
У реальному житті і поршневі машини, і турбіни ізентропіческі газ і пара не розширюють, тому процес отримання корисної енергії з циклу відбувається з втратами, і вертикальна пряма адіабатичного розширення на графіку трохи відхиляється своїм нижнім кінцем в праву сторону. На першому графіку фаза корисної роботи в циклі поршневий машини або турбіни - це крива 3-4.

Оскільки процес адіабатичного розширення йде у пари і у газу з одночасною втратою і тиску, і температури - так влаштований світ - то рано чи пізно пар робочого тіла виявляється охолодженим до температури конденсації (пар з труби паровоза). При цьому проходження "точки роси" (точка 4 на першому графіку) означає, що подальша робота паром проводиться не може, оскільки будь-яке подальше розширення пара буде тільки викликати тільки його конденсацію (що і показано прямий 4-1). Уникнути точки роси при роботі на воді не виходить - всередині "горбатою гори", яка додатково намальована на діаграмі Ts для води, вода охоче перебуває і в стані пара, і в стані рідини.

Тому, в момент проходження "точки роси" пар з робочого механізму (турбіни або циліндра) - бажано видалити і використовувати його далі або в теплообміннику, або в конденсаторі, замкнувши термодинамічний цикл.

У води в цей момент часу температура вже нижче точки кипіння і тому безпосередньо використати решту в робочому тілі тепло для цілей, відмінних від опалення або поставки гарячої води населенню, - неможливо.

Для збільшення ККД класичного циклу Ренкіна на воді доводиться придумувати різні «фокуси» на додаток до звичайного розширення насиченої пари - додатково перегрівати пар, ставити другий перегрів пара після першого ступеня розширювача, спрацьовувати пар неповністю і використовувати частину тепла пара на "догрів" надходить в цикл води.
Всі ці можливості можна наочно побачити тут:

перегрів пара

Подвійний перегрів пара

Подвійний перегрів пара з регенерацією
Такими "фокусами" некрасиву діаграму циклу Ренкіна для води намагаються хоч якось "підтягнути" по площі до ідеального прямокутника циклу Карно. Але все одно, на прямокутник виходить не дуже схоже ...
А ось органічні теплоносії (фреони і вуглеводні) виявляються в цьому відношенні набагато цікавіше води - їх близьке до ізентропіческому розширення в поршневий машині або турбіні веде не в область насиченої пари ( "горбата гора" на водяному графіку Ts), а в область пара перегрітого. Гора виявляється не просто "горбата", але ще і "п'яна":

Цикл Ренкіна на пентанов - крива 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - розширення робочого тіла через турбіну або поршень. 6-7 - рекуперація тепла через теплообмінник. Як бачите, цикл - майже прямокутник!
Що таке перегрітий пар? Це пар, який, навіть при самому пекучому своєму бажанні не може сконденсуватися в рідину. Хочете приклад? Сухий лід. При атмосферному тиску двоокис вуглецю може бути або газом (перегрітою парою) або твердим тілом (сухим льодом). Всі спроби перевести її в рідкий стан будуть безуспішні. Вона цього не хоче. Тому, як виявляється вуглеводень - це ще мало того, що паливо, так ще й дуже гарне робоче тіло для теплової машини!

Тобто, якщо, використовувати цикл Ренкіна на фреонах (або вуглеводнях), то можна взагалі не турбуватися про конденсації робочого тіла в турбінах. Більш того - для того, щоб замкнути цей цикл, навіть доводиться штучно відбирати тепло у фреонів, будуючи теплообмінник після розширює пристрої - турбіни або поршня.

В процесі рекуперації тепла і відборі його від перегрітої пари пентану відбувається "безкоштовне" випаровування наступної порції робочого тіла, необхідної для початку наступного робочого циклу, тобто витрачати на це додаткову і чималу енергію, як це відбувається у випадку з водою, не доводиться.

Тому - для органічного циклу Ренкіна краще мати хороший теплообмінник-рекуператор, а розширювач (турбіна, поршень) може бути і вельми середньої якості (а значить - може бути дешевим і невеликим за розміром) - лише б такий розширювач не змушував помпу качати аж надто багато робочого тіла.

При цьому - оскільки теплообмінник зазвичай не містить рухомих або обертових частин - зробити його добре набагато легше, ніж поршневу машину або турбіну.

Таким чином, в якості висновків можна сказати наступне:
1. Фреони, в силу низьких температур кипіння, можуть принципово працювати з набагато більш низькими температурами нагрівачів (це дуже важливо!) І охолоджувачів (це супер важливо для Росії!).
2. Фреони не створюють проблем з конденсацією робочого тіла всередині робочих органів теплових машин.
3. Фреони дозволяють зробити теплові машини дешевими, простими і легко масштабованими до невеликих розмірів.
Закінчивши з теорією, в наступному матеріалі звернемося до практики. В якому ми дізнаємося про сонячному Ізраїлі, туманною Алясці і 5 атомних енергоблоках компанії "Газпром". ;)