"Мокрая" паровая турбина

Татарин> пар - уходит на конденсирование и сброс тепла

Мне кажется, засада вот тут где-то должна быть, потому что у них температуры конденсации разные, нужны два конденсатора, плюс уже сконденсировавшаяся низкокипящая жидкость будет забивать трубы для ещё парообразной высококипящей.

Татарин> Почему так не сделали раньше?

На паровозах точно не было такого. Но это понятно, почему, сложно и лишняя логистика и экипировка.

Татарин>> пар - уходит на конденсирование и сброс тепла
Серокой> Мне кажется, засада вот тут где-то должна быть, потому что у них температуры конденсации разные, нужны два конденсатора, плюс уже сконденсировавшаяся низкокипящая жидкость будет забивать трубы для ещё парообразной высококипящей.
ОК, плохо объяснил мысль, сталыть.

Одна жидкость кипит - низкокипящая. Она своим паром разгоняет капли высококипящей, которые долбят в гидравлическую (и потому низкоскоростную) турбину.

Высококипящая жидкость (почти) никогда не кипит, не должна по задумке, её задача - просто переносить импульс и служить вечным неизнашиваемым поршнем. Она и должна "забивать" трубы - иначе её будет не разогнать расширяющимся в трубах и сопле паром. А если она вскипит и выкипит, то не сможет долбить каплями в турбину.

Пар низкокипящей, действительно, должен идти в конденсатор.

...
Одно из ключевых преимуществ тут: малое количество низкокипящей жидкости в котле (при том, что жидкости вообще - много, значит, теплосъём с большой поверхности идёт нормально). Малое количество жидкости под давлением снимает противоречие между требованиями к теплообмены и опасностью котла.
Одно дело, когда при разрыве котла вскипает 1кг воды (это большая неприятность, возможно, со смертями), и совсем другое - когда 1г, допустим, R134a (это громкий звук и грохот и, возможно, больше работы для слесаря, но никак не трагедия). Три порядка по запасённой энергии делают разницу.

Татарин> Мне лестно думать, что не догадались. Но если догадались, то почему не сделали?
просто, реализация сложная. Паровая машина, несмотря на все железки, проще в этом плане.
Но сделатьи посмотреть было бы любопытно.
Причем, модельно, это можно попробовать с холодной водой и воздушным компрессором.

Татарин>> Мне лестно думать, что не догадались. Но если догадались, то почему не сделали?
s.t.> просто, реализация сложная. Паровая машина, несмотря на все железки, проще в этом плане.
Нет, после детального рассмотрения эта штука реально гораздо проще (не в описании, а по механике и в изготовлении). Собссно, одна из главных причин.

Вторая - безопасность: нужно минимизировать количество жидкости под давлением в котле, иначе конструкцию никак нельзя сделать "бытовой". Конструкция должна быть достаточно взрывобезопасной, чтобы пихать её, допустим, в буржуйку, стоящую в жилом помещении или в газовый котёл.

И тут есть противоречие: чтобы прокачать тепло в жидкость достаточно быстро, жидкость должна иметь достаточно поверхности. Что приводит либо тупо к большому количеству жидкости в перегретом состоянии (опасно!), либо к гиперразвитой внутренней поверхности (большое гидросопротивление, сложность и стоимость изготовления) и всё равно к большому количеству жидкости в котле и "в работе".

Небольшое количество низкокипящей жидкости, растворённой в высококипящей снимает противоречие: площадь теплообмена большая, а запасённой в перегретой жидкости энергии мало.

...

Третья, ессно, отсутствие кривошипа. Который (если нужно не просто чтоб работало, а работало очень долго, бесшумно и надёжно без обслуживания вообще) - очень сложная и дорогая в изготовлении штука.

Татарин> Небольшое количество низкокипящей жидкости, растворённой в высококипящей снимает противоречие: площадь теплообмена большая, а запасённой в перегретой жидкости энергии мало.
Как ты избежишь превращения двухфазной жидкости в аэрозоль, когда низкокипящая переидет в газообразное состояние?

Татарин> Одна жидкость кипит - низкокипящая. Она своим паром разгоняет капли высококипящей, которые долбят в гидравлическую (и потому низкоскоростную) турбину.
Татарин> Высококипящая жидкость (почти) никогда не кипит, не должна по задумке, её задача - просто переносить импульс и служить вечным неизнашиваемым поршнем. Она и должна "забивать" трубы - иначе её будет не разогнать расширяющимся в трубах и сопле паром. А если она вскипит и выкипит, то не сможет долбить каплями в турбину.

Раствор жидкостей, если это действительно раствор, будет кипеть как единый компонент, без двухфазности (без пузырьков), просто при температуре отличной от температур кипения входящих в него жидкостей.
Для получения двухфазности потока нужно использовать эмульсию (вода-масло, например) жидкостей с разными температурами кипения.

Да и КПД такой турбины будет не очень...

Татарин>> Небольшое количество низкокипящей жидкости, растворённой в высококипящей снимает противоречие: площадь теплообмена большая, а запасённой в перегретой жидкости энергии мало.
s.t.> Как ты избежишь превращения двухфазной жидкости в аэрозоль, когда низкокипящая переидет в газообразное состояние?
Я не думаю, что это случится, но мне не нужно этого избегать. Весь смысл в том, чтобы получить в сотни-тысячи раз бОльшую среднюю плотность у потока при расширении пара. Тогда этот поток можно направить не на высокооборотистую газофазную-паровую турбину, а на порядки же более низкооборотистую и одновременно компактную гидравлическую.
Если вместо крупных целых капель в турбину будет долбить аэрозоль - отлично. Тоже годно.

scum> Раствор жидкостей, если это действительно раствор, будет кипеть как единый компонент, без двухфазности (без пузырьков), просто при температуре отличной от температур кипения входящих в него жидкостей.
Эээ? Дистилляции не бывает?
Жидкость будет переходить в пар, пар образовывать пузырьки. Этого достаточно. Если какая-то небольшая часть высококипящей жидкости будет испаряться или часть низкокипящей оставаться в растворе - это не проблема вообще.

scum> Для получения двухфазности потока нужно использовать эмульсию (вода-масло, например) жидкостей с разными температурами кипения.
Но зачем?

scum> Да и КПД такой турбины будет не очень...
Обычный цикл Ренкина с частичной рекуперацией. Каковы будут потери на внутренее трение - не знаю.
Но в целом, КМК, должно быть что-то вроде паровой машины одинарного расширения на те же параметры пара.

Татарин> Эээ? Дистилляции не бывает?
Дистилляция бывает, и даже очень вкусная.
При дистилляции пар образуется НАД зеркалом жидкости, а не в объеме. Просто упругость паров компонентов разная и самое вкусное улетает в конденсатор, с большим количеством невкусного, кстати.
Татарин> Жидкость будет переходить в пар, пар образовывать пузырьки. Этого достаточно. Если какая-то небольшая часть высококипящей жидкости будет испаряться или часть низкокипящей оставаться в растворе - это не проблема вообще.
Жидкость будет переходить в пар в объеме с образованием пузырьков в режиме пленочного (пузырькового)
кипения. Это хорошо видно в прозрачном чайнике, когда он только начинает кипеть и сильно шуметь.
И пар в этих пузырьках будет состоять из паров обоих компонентов раствора.
scum>> Для получения двухфазности потока нужно использовать эмульсию (вода-масло, например) жидкостей с разными температурами кипения.
Татарин> Но зачем?
Как раз затем, чтобы получить пузырьки низкокипящей жидкости в объеме эмульсии. Как вода в масле на сковородке, только вместо лопаток турбины - руки, ...или еще чего-нибудь.
scum>> Да и КПД такой турбины будет не очень...
Татарин> Обычный цикл Ренкина с частичной рекуперацией. Каковы будут потери на внутренее трение - не знаю.
Турбины затачиваются на конкретные параметры. Если предполагается, что турбина гидравлическая, то
срабатываться на ней будет в основном кинетическая энергия струи жидкости, пар при этом будет улетать в "молоко".
А на получение пара уходит бОльшая часть тепловой энергии. В цикле Ренкина на турбине как раз срабатывается энергия пара.

scum> Жидкость будет переходить в пар в объеме с образованием пузырьков в режиме пленочного (пузырькового)
scum> кипения. Это хорошо видно в прозрачном чайнике, когда он только начинает кипеть и сильно шуметь.
scum> И пар в этих пузырьках будет состоять из паров обоих компонентов раствора.
Разумеется, и меня это, конечно, устраивает. По бОльшей части в паре будет всё-таки высококипящая компонента, а объём жидкости "увеличится" (за счёт пузырьков), как и давление в ней. Если её выпустить в сопло, пар внутри жидкости будет расширяться, совершая работу, швыряя жидкость в турбину.
Что и требуется.

scum> Турбины затачиваются на конкретные параметры. Если предполагается, что турбина гидравлическая, то срабатываться на ней будет в основном кинетическая энергия струи жидкости, пар при этом будет улетать в "молоко".
Даже в свободном объёме струя пара/газа не может не увлекать жидкость, а пока он в пределах трубы, у него нет выбора, кроме как толкать жидкость из трубы, совершая работу. То есть, жидкость используется как поршень в классической паровой машине, гидравлическая турбина - просто способ механической передачи, преобразования поступательного движения поршня во вращательное генератора.
КПД турбины Пеллтона далеко не 100%, но на достаточно больших давлениях (больше 15-20 атмосфер) он более 95%. Что уже выше, чем даже КПД кривошипного механизма, и точно выше, чем КПД его же, но с мультипликатором.

scum> А на получение пара уходит бОльшая часть тепловой энергии. В цикле Ренкина на турбине как раз срабатывается энергия пара.
? Ну да.

scum> срабатываться на ней будет в основном кинетическая энергия струи жидкости, пар при этом будет улетать в "молоко".
scum> А на получение пара уходит бОльшая часть тепловой энергии.

Теплота парообразования? Так она теряется что в турбине, что в паровозе, что в конструкции Татарина. Без разницы.

scum>В цикле Ренкина на турбине как раз срабатывается энергия пара.

А это уже другая энергия пара (не та что на парообразование). Как её... кинетическая, потенциальная... Ну в общем "механическая".
Вот Татарин и предлагает её срабатывать на разгон жидкости. А разогнанную жидкость срабатывать на лопатках колеса.
Правда остатки "механической" энергии самого пара тоже мимо кассы.

Другое дело что скажем в водке спирт действительно не будет кипеть отдельно от воды. Кипеть будет вся водка.

ED> Другое дело что скажем в водке спирт действительно не будет кипеть отдельно от воды. Кипеть будет вся водка.
А может, и не надо смесь греть? Подаем каплю в трубку, разгоняем паром. И так с многих трубок?

s.t.> А может, и не надо смесь греть? Подаем каплю в трубку...

Форсунку на входе. Две. Одной впрыскиваем порцию воды, другой масло. По очереди.

ED> Другое дело что скажем в водке спирт действительно не будет кипеть отдельно от воды. Кипеть будет вся водка.
Так и что с того?
Мне нужно а) гарантированно получить достаточно пара в пределах рабочих температур; б) гарантированно не получить испарения основной массы жидкости в пределах тех же температур. Процент высококипящего вещества в паре интересен с точки зрения термодинамики, но не так чтоб очень уж важен.

В конкретном интересном мне применении устраивает КПД 15-20%. Хотя, конечно, чем больше - тем больше, воевать за каждый процент тут незачем. Сейчас в котлах он вообще ноль ровно, по сравнению с этим нулём даже 15% - великолепный, качественно иной результат. Центр оптимизации - экономика... затем - безопасность, долговечность, цена, надёжность.

s.t.>> А может, и не надо смесь греть? Подаем каплю в трубку...
ED> Форсунку на входе. Две. Одной впрыскиваем порцию воды, другой масло. По очереди.
Я сначала было думал именно о чём-то подобном (только без форсунок; низкокипящей жидкости много меньше, чем высококипящей), а потом захотелось растворимости. Одна из причин - интенсивность теплообмена и более-менее равномерное распределение при минимуме механики.

Татарин> потом захотелось растворимости
зачем растворимость? Можно смотреть в обратную сторону, водно масляная эмульсия на входе, и паромасляный аэрозоль на выходе.
Часть энергии пустить на смешивание.

scum>> Жидкость будет переходить в пар в объеме с образованием пузырьков в режиме пленочного (пузырькового)
scum>> кипения. Это хорошо видно в прозрачном чайнике, когда он только начинает кипеть и сильно шуметь.
scum>> И пар в этих пузырьках будет состоять из паров обоих компонентов раствора.
Татарин> Разумеется, и меня это, конечно, устраивает. По бОльшей части в паре будет всё-таки высококипящая компонента, а объём жидкости "увеличится" (за счёт пузырьков), как и давление в ней. Если её выпустить в сопло, пар внутри жидкости будет расширяться, совершая работу, швыряя жидкость в турбину.
Татарин> Что и требуется.
Пузырьковое кипение возникает при большом градиенте температур между горячей стенкой и ядром потока жидкости. Применительно к чайнику - недолгое время, пока не прогрелся весь объем воды. При этом (в чайнике) пузырьки отрываясь от дна и поднимаясь конденсируются и схлопываются (отсюда шум).
В потоке (в трубке теплообменника) пузырьки будут существовать на ограниченном участке (весьма малом), далее по потоку вся жидкость будет переходить в пар, если будет продолжаться нагрев, или (без нагрева) останется просто жидкостью. Т.е., режим в высшей степени нестационарный.
Пленочное охлаждение пытались применить для охлаждения ЖРД, профит ожидался огромный - бешеный теплосъем за счет фазового перехода, до сих пор пытаются...
И, кстати, растворы здесь не причем - это происходит в любой жидкости.
scum>> Турбины затачиваются на конкретные параметры. Если предполагается, что турбина гидравлическая, то срабатываться на ней будет в основном кинетическая энергия струи жидкости, пар при этом будет улетать в "молоко".
Татарин> Даже в свободном объёме струя пара/газа не может не увлекать жидкость, а пока он в пределах трубы, у него нет выбора, кроме как толкать жидкость из трубы, совершая работу. То есть, жидкость используется как поршень в классической паровой машине, гидравлическая турбина - просто способ механической передачи, преобразования поступательного движения поршня во вращательное генератора.
Татарин> КПД турбины Пеллтона далеко не 100%, но на достаточно больших давлениях (больше 15-20 атмосфер) он более 95%. Что уже выше, чем даже КПД кривошипного механизма, и точно выше, чем КПД его же, но с мультипликатором.
Во-первых, чтобы толкать что-то пар (даже если его удастся удержать в виде пузыря) должен расширяться, гипотетический пузырь - это уже расширенный сырой пар, для дальнейшего расширения его нужно перегревать и, следовательно, нагревать и испарять жидкость (см. выше, случай первый).
Во-вторых, лопатки турбины должны обтекаться потоком жидкости (пар на дозвуке - та же жидкость), исключением будет водяное колесо мельницы - на него можно просто капать воду и оно будет крутиться.
При гипотетическом пузырьковом выталкивании жидкости, на лопатки будут лететь капли. В сухом остатке имеем колесо мельницы с соответствующей эффективностью.
Повторюсь: любая турбина рассчитывается с учетом применения конкретного рабочего тела, т.е., турбина рассчитанная на использование пара с высоким КПД при работе на воздухе будет иметь КПД ниже плинтуса.
При использовании паро-капельного рабочего тела нужна "гидро-газовая" турбина.
scum>> А на получение пара уходит бОльшая часть тепловой энергии. В цикле Ренкина на турбине как раз срабатывается энергия пара.
Татарин> ? Ну да.
Это я к тому, что в цикле Ренкина вся располагаемая тепловая энергия идет на увеличение потенциальной энергии пара, которая потом вся (с соответствующим КПД) срабатывается на турбине.
В "гидро-газовой" турбине энергия паровой составляющей рабочего тела (а это большая часть) будет теряться.

scum> Пузырьковое кипение возникает при большом градиенте температур между горячей стенкой и ядром потока жидкости.
?! Ну с фига ли? Жидкость переходит в пар как только есть для этого условия по давлению и температуре. Теоретически можно жидкость и несколько перегреть (нагреть выше температуры кипения при данном давлении), но на практике и в описанных условиях это, конечно, недостижимо.

scum> Применительно к чайнику - недолгое время, пока не прогрелся весь объем воды. При этом (в чайнике) пузырьки отрываясь от дна и поднимаясь конденсируются и схлопываются (отсюда шум).
При чём тут вообще чайник? особенно, такой, в котором температура, по описанию, меньше температуры кипения? Да, в чайнике на нагревателе вода нагревается, испаряется, а затем, когда пузырьки проходят сквозь холодную воду, они схлопываются... но при чём тут рассматриваемый случай вообще?
Вы когда-нибудь кипящий чайник видели? Вот. Это - оно. Брызги, которые летят из кипящего чайника - это энергия расширяющегося пара.
В чайнике она диссипируется. В паровой машине/турбине - нет.

scum> В потоке (в трубке теплообменника) пузырьки будут существовать на ограниченном участке (весьма малом), далее по потоку вся жидкость будет переходить в пар, если будет продолжаться нагрев, или (без нагрева) останется просто жидкостью.
Я не понимаю этой магии с мистическим и внезапным переходом всей жидкости.
Есть равновесие. Каждый раз, когда мы при температуре кипения сообщаем жидкости тепло Q, часть жидкости переходит в пар, который может сосуществовать с жидкостью сколь угодно долго, пока мы тепло не отберём (тогда пар конденсируется) или не прибавим (тогда ещё часть жидкости испарится). Это именно что стационарный режим. По мере увеличения давления жидкость, ессно, будет кипеть при всё большей температуре, но это само собой.
Если жидкость кипятить, то она внезапно!(тм) будет кипеть, увеличивая количество пара и давление в сосуде.

scum> Пленочное охлаждение
?! При чём тут оно?

scum> scum>> Турбины затачиваются на конкретные параметры. Если предполагается, что турбина гидравлическая, то срабатываться на ней будет в основном кинетическая энергия струи жидкости, пар при этом будет улетать в "молоко".
Разумеется. Поскольку пара (по массе) много меньше, импульс он несёт соответсвующий - много меньше. Всё, что нужно - более-менее уравнять скорости пара и жидкости, а это несложно.

scum> Во-первых, чтобы толкать что-то пар (даже если его удастся удержать в виде пузыря) должен расширяться, гипотетический пузырь - это уже расширенный сырой пар, для дальнейшего расширения его нужно перегревать и, следовательно, нагревать и испарять жидкость (см. выше, случай первый).
Пар находится в термодинамическом равновесии и расширяется внезапно!(тм) по градиенту давления. Возможностей не ускорять жидкость в сторону турбины у него нет.

scum> При гипотетическом пузырьковом выталкивании жидкости, на лопатки будут лететь капли. В сухом остатке имеем колесо мельницы с соответствующей эффективностью.
Да. И она - эта эффективность "колеса мельницы" (по уму сделанного) - около 90-95% уже при перепаде давления в первые десятки атм. Это и называется "турбина Пеллтона" и она используется на высоконапорных (от сотен метров) маломощных ГЭС.

scum> Повторюсь: любая турбина рассчитывается с учетом применения конкретного рабочего тела, т.е., турбина рассчитанная на использование пара с высоким КПД при работе на воздухе будет иметь КПД ниже плинтуса.
? Ну да. И?

Я, если честно, местами то ли не очень Вас понимаю, то ли Вы говорите что-то очень уж странное. А том, где понимаю, Вы говорите очевидные банальности, которые не имеют отношения к вопросу. Ну, то есть, я опять не понимаю. Например, я не понимаю, что Вы хотели сказать этим вот выше. Я предложил совершенно конкретную турбину. Не паровую. Гидро. Конструкцию её легко посмотреть (если по моему описанию не понятно). Про паровую турбину всё понятно, о чём и самые первые предложения в теме.

scum> Это я к тому, что в цикле Ренкина вся располагаемая тепловая энергия идет на увеличение потенциальной энергии пара, которая потом вся (с соответствующим КПД) срабатывается на турбине.
scum> В "гидро-газовой" турбине энергия паровой составляющей рабочего тела (а это большая часть) будет теряться.
После уравнивания скоростей капель и пара при предлагаемых соотношениях почти вся энергия пара переходит в кинетическую энергию капель. То, что остаётся в паре - доли процента и на фоне остальных потерь незначимо. Тут только один может возникнуть вопрос: "а насколько хорошо ли уравниваются скорости капель и потока газа?" Да, это источник потерь. Но есть экспериментальные данные: просто отлично и на очень небольших расстояниях. Порядка 20% энергии потока при этом может диссипироваться на турбулентности (фактически, механизм уравнивания скоростей частично диссипативный, трение там играет), это реальные данные воздушно-капельных насосов.

Татарин>> потом захотелось растворимости
s.t.> зачем растворимость? Можно смотреть в обратную сторону, водно масляная эмульсия на входе, и паромасляный аэрозоль на выходе.
s.t.> Часть энергии пустить на смешивание.
Мне кажется сложным и ненадёжным приготовление хорошей эмульсии. Раствор хорош тем, что требуемое равномерное распределение получается в нём само, работает термодинамика.

ED>> Другое дело что скажем в водке спирт действительно не будет кипеть отдельно от воды. Кипеть будет вся водка.
Татарин> Так и что с того?

То есть?! Питая свой котёл водкой (расвором жидкости), ты на выходе получишь просто пар. Даже без "вкраплений" жидкости. Это же очевидно.
Тебе нужны жидкости с разными температурами кипения по отдельности. Скажем порции или эмульсии, как тут предлагают.

Татарин>Я сначала было думал именно о чём-то подобном (только без форсунок

Без насоса на входе тебе никак - противодавление надо создавать.
А я на самом деле писал о варианте насоса, только качающего порциями, скажем плунжерном. Форсунка (которая суть распылитель) - это другое. Неправильный термин я применил.

Татарин>В сухом остатке имеем колесо мельницы с соответствующей эффективностью.

Дык Татарин НЯП и пишет именно о "мельничном" колесе. Работающем в потоке жидкости, а не пара. Пар просто "разгонщик" той жидкости.

scum> Друзья, зачем копья ломать?
scum> Любые машины, в которых реализуется адиабатный рабочий процесс, обратимы.
scum> Берете винтовой компрессор и запускаете его "взад", получаете аналог турбины с вполне "велосипедными"
scum> скоростями вращения - любой генератор прицепить можно.
Или - что гораздо лучше при небольших расходах "в режиме генератора" - спиральный, да. Ессно, что все в курсе. Именно "кондиционер наоборот".

Почему нет?

По куче причин, главные из которых - стоимость итогового решения с приемлимой надёжностью и опасность парового котла с большим количеством жидкости (причин больше, влом расписывать детально).
Собссно, поэтому, в жизни маломощных решений с когенерацией просто нет. Ну, то есть, технически-то задача как бы и решена, но толку с этого - никакого.

Тут может возникнуть претензия, что я сравниваю реальное решение с бумажным. Да. Но поскольку все реальные решения заведомо не удовлетворяют, а любое решение на каком-то этапе суть бумажное решение, иначе никак.

ED> То есть?! Питая свой котёл водкой (расвором жидкости), ты на выходе получишь просто пар. Даже без "вкраплений" жидкости. Это же очевидно.
ЕСли температура в котле будет выше температуры кипения высококипящей - да. А если ниже?

ED> А а я на самом деле писал о варианте насоса, только качающего порциями, скажем плунжерном. Форсунка (которая суть распылитель) - это другое.
Плунжерный насос - это опять механика и кривошип. Я думал (раз у меня уже есть высокооборотная ось) о центробежном. 5-10 атмосфер обеспечить реально точно.

НО в чём-то ты прав: на бОльшие и большИе давления выгоднее качать поршнями-плунжерами... или даже спиралью (пусть даже с заниженным ради ресурса КПД).