Enerji Dönüşümündeki Termodinamiklerin Vakıfları

Termodinamik yasaları, entropi kavramını, en yüksek teorik verimliliği ortaya koyarken, bu ilkelerin tüm termal enerji nesli kalbindeki bir süreç. İlk yasa, enerji koruma, bu teorik sınırları her döngüde daha yakından ölçürken, ikinci yasa entropi kavramını geliştirirken, en yüksek teorik verimliliği tanımlar - Carnot verimliliğini anlamak - gerçek döngünün gerçek bir döngüyü aşmasına izin vermez.

İkinci yasadan elde edilen Exergy analizi, enerji döngüsündeki sabit enerji döngüleri için güçlü bir araç sağlar.Her bir yakıt biriminin çalışma başına dönüştürülmediği gibi, enerji tasarrufu ve çevresel yük.Modern yazılım araçları ayrıntılı olarak, işletme basıncının seçimine yol açan, düşük sıcaklıkların ve çalışma sıvılarının azaltılmasına yol açar.

Çalışma sıvılarının termodinamik özellikleri - belirli ısı kapasitesi, amonyak veya bazı hidrokarbonlar gibi, yüksek sıcaklık kaynakları için, karbon dioksit gibi süperktik akışkanlar tamamen faz değişikliğinden kaçınarak eşsiz avantajlar sunar.

Heat transfer mekanizmaları - iletkenlik, konveksiyon ve radyasyon - ısı değiştiricilerinin performansını şekillendirmek için termodinamik döngü tasarımı ile etkileşime girer, Konser ve buharlı sistemler. Compact ısı değiştiricileri, gelişmiş yüzey geometrileri ile geliştirilmiş ısı değiştiricileri, sıcaklık farklılıkları ve basınç düşüşlerini azaltır, dönüşüm döngüsünde, her bir verimlilik noktasının yakıt tüketimi ve emisyonlarını azaltmanın her bir yüzdesinin isteyebilmesi ve ısı transferinin istenildiği yerde - bu temeldir. Gelişmiş akışkan hesaplama dinamikleri şimdi, mühendisler mikro ölçekli ısı transferlerini simülasyona olanak sağlar, on yıl önce bu durum fark edilemezdi.

Geleneksel Güç Lisansları ve Çevre Sınırları

Rankine döngüsü, bir yüzyıldan fazla kömür ve nükleer enerji santrallerinin işhorları, su kaynatarak buhara kadar çalışır ve bunu sıvıya geri getirir ve kazanılabilir bitkilere geri döner. on yıl boyunca optimizasyona rağmen, Rankine döngüsü temel termodinamik kısıtlamalarla karşı karşıya kalır: Yüksek latent su ısısı değişebilir ve maksimum sıcaklık nadiren önemli bir enerji miktarı azalır.

Brayton döngüsü, doğal gaz türbinleri ve jet motorlarında kullanılan, hava, kompost yakıtı sıkıştırır ve bir türbin üzerinden sıcak gaz genişletir ve bunu doğrudan yanmaya ve yüksek egzoz sıcaklıklar gerektirir.For zero-emission operation, Brayton döngüsü% 63'e kadar verimsiz hale gelir, doğal gaz en temiz fosil yakıt döngüsü, CO2 ile doğrudan yanmaya izin verir.

Her iki geleneksel döngü, yanma sürecinde önemli bir eski yıkımdan muzdariptir, bu sınırlamayı yenilenebilir ısı kaynaklarını kullanarak - ısı, jeotermal, nükleer - veya yoğun olmayan ısı ekleriyle kapalı döngüler yaparak, yüksek enerji ile en yüksek çözünürlükte, yüksek enerji veya gelişmiş nükleer reaktörler gibi.

Çevre düzenlemeleri küresel olarak sıkılıyor, Çin'deki kömür santrallerinin fazını sürüyor ve düşük karbon üretimine karşı teşvik ediyor. Avrupa Birliği'nin Emisyon Ticaret Sistemi, ABD Çevre Koruma Ajansı'nın Temiz Güç Planı 2.0 ve Çin'deki benzer politikaların uygulanması, önümüzdeki on yıl içinde karbon yakalama veya termodinamik inovasyonu sağlamak için onlara uygun olarak geri yüklemesi gerekiyor.

Termodinamik İnovasyonlar Sıfır Emisyon Lisansları

Organik Rankine Döngüsü

Organik Rankine Döngüsü, organik bir çalışma sıvısı ile suyu değiştirir - tipik olarak bir hidrokarbon, soğutucu veya silikon yağı - bu daha düşük kaynar ve daha yüksek moleküler kütleye sahiptir. Bu, ORC'nin ısı kaynaklarından 80-150°C'ye kadar enerji üretmesine izin verir, geleneksel bir buhar Rankine döngüsü zorlanmış olur.

ORC sistemlerinin verimliliği, çalışan sıvı seçimi ve döngü konfigürasyonuna güçlü bir şekilde bağlıdır. Basit ORC çevrimleri tek bir buharlı basınç elde etmek genellikle düşük sıcaklık kaynakları için% 10-20 verimlilik, daha gelişmiş yapılandırmalar ile ilişkili iken - rejeneratif ORC, iç ısı değişiminin evaporatörden önce sıvıyı önlediği gibi - ısı geçişinin% 25 veya daha yüksek ısıtılması için ısıtılması - ısınıcı olmayan noktaların ısıtılması - ısınması gereken 2 veya daha fazla sıvıyın ısıtılması - ısınması - ısınma noktalarının ısıtılması için daha yakından basınç artışının daha yakından azaltılması için daha yakından ısınması - ısınması için daha fazla ısınması gereken ısınması - ısınması - ısınır.

ORC'nin sıfır emisyon potansiyeli, ısı kaynağının kendisi karbonsuz olduğu fark edilir. Geoterm ORC bitkileri, örneğin, yanma ve minimum yaşam döngüsü emisyonu olmayan elektrik üretmek - ORC'nin 800-1000 g ile şarj edilebilir enerji tasarrufuna izin vermek, ancak daha önce emisyonlar veya daha fazla ısı transferine ihtiyaç duyar, bu da ORC'nin enerji tasarrufuna yol açan enerji tasarrufuna yol açan enerji tasarrufuna yol açar.

Super critical CO2 Çevrimler

Süperktik CO2 döngüsü, kritik noktasının üzerindeki karbondioksit ile çalışır (31°C, 7.4 MPa), sıvının sıvıya benzer tek bir aşama olduğu, ancak gazabistik sıcaklık ve diffusivity ile benzer şekilde çalışır.Bu eşsiz kombinasyon, çok kompakt turbomakrit - dönüşüm ve kompresör eşdeğer buhar bileşenlerinden daha küçük bir miktar olabilir - ve yüksek ısı verimliliğinabilir.

Birkaç döngü konfigürasyonları var, en yaygın olan basit recuperated döngüsü ile, düşük sıcaklık rekupatöründeki pinch sorununu önlemek için.Bu yapılandırma, basit rekreasyon döngüsünden daha yüksek verimlilik sağlar, özellikle de ısının yüksek olduğu zaman.

Superkkkron CO2 çevrimleri sıfır emisyonlu güç üretimi için doğal olarak uygundur, çünkü CSP'nin genellikle yer aldığı bir ekonomik sistemle eşleşebilir.Demekli güneş enerjisi için CO2 döngüsü, geleneksel buhar Rankine geçiş yapar, yüksek ısı ve daha düşük su tüketimine izin verir - CSP'nin genellikle ikincil bir buhar sistemi ihtiyacından kaçınır ve enerji tasarrufu sağlar.

Kombine ve Hibrit Lisans Mimarileri

Kombinasyonlar, daha geniş bir sıcaklık aralığında enerji yakalamak için iki veya daha fazla termodinamik döngüleri entegre eder, genel olarak sıfır emisyon uygulamaları için, Brayton döngüsü, bir Brayton döngüsünde ısıyınır ve sonra 500-600 °C'yi bir Rankine alt döngüsüne yönlendirir, su döngüsünden önce genel effiyonel ve ekstra bir çalışma elde eder.Bu hidrojen yakıtlı döngü yeşil hidrojen veya amonyaklı bir ürün olarak kullanılabilir.

Hibrit çevrimler tek bir termodinamik çerçeve içinde farklı enerji kaynaklarını birleştirerek bir adım daha ileri gider. Örneğin, bir güneş hibrit sistemi, birincil güç bloğu olarak süperktik CO2 döngüsü, doğal gaz veya hidrojen kombinatörü ile güneş radyasyonu yetersiz olduğunda, daha fazla ısıyı korumak için ek ısı sağlar.

Bölge ölçekli hibrit döngüler, gelecekteki şehirler için ortaya çıkan bir konsepttir, endüstriyel süreçlerden ısının ısının ısındığı, veri merkezleri veya elektrolizerlerin tüm bölgenin karbon ayak izini azaltıp, ORC veya CO2 ünitesi için dağıtılmış bir ısı pompası ile yükseltilmesi gerekir. Bu yaklaşım, geleneksel sabit devlet analizinin sağladığı dinamik araçların kendisini düşük sınıf ısı kaynağı haline getirir.

Malzeme Bilimi ve Sistemi Bütünleme Meydanları

Gelişmiş termodinamik döngüleri, sıcaklık, basınç ve korozyon, aşırı koşullarda felaket başarısız olmadan hayatta kalabilen malzemelerle sınırlarını zorlar. süperkkritik CO2 çevrimlerinde, çalışma sıvısı yüksek sıcaklıklarda, özellikle de nem veya yetersizlikler varlığında oldukça korelasyonlar. Nickel tabanlı süperalloylar, Inconel 740H ve Haynes 282 gibi, aktif gelişim için gerekli olan 30 yıllık bitki için henüz gerekli olan 30 yıllık ürün için gerekli olan.

Heat exchanger performansı kritik bir şişenck. Bir sCO2 döngüsünde recupatör büyük bir sıcaklık diferansiyelini ele alır - yaklaşık 100°C'den 500°C'ye kadar - baskı altında 20 MPa'nın üzerinde çalışırken, baskılı ısı ve baskılı ısı değiştiricileri, ancak teknoloji henüz kütleli metal plakaları için olgun değildir, ancak yüksek yüzeysel sıvıları ve yüksek boyutlarda üretmek pahalı ve zor olabilir.

Sistem entegrasyonu - ısı kaynağı, soğutma sistemi ve elektrik şebekesi ile termodinamik döngüsünü bağlantı kurma süreci - ek zorluklar tanıtılır. Başlangıç ve kapanış sırasında ısı geçişi, özellikle sıcaklık hızları 100°C'yi aştığında, kontrol sistemi, çok fazla etkileşim döngüsü yönetmek zorundadır - çalışma sıvı envanteri, soğutma suyu akışı, damla valfleri - ağ sinyalleri yanıt verirken stabil bir operasyon sağlamak. Sıfır emisyon döngüleri için değişken enerji kaynakları ile çiftleşirken, sıcaklık kontrolü zorluk 100 °C'yi hızlanır: güneş veya rüzgar dalgalanmaları zaman zaman ölçeklendirmek için ısı girişi.

Su kullanılabilirliği genellikle güç çevrimleri için bir kısıtlamadır, özellikle de bir Koridorda. Konvansiyonel buhar Dereceleri su miktarı zorunlu verimlilik cezaları olmadan mümkün olur.Tokyotsal olarak üretilen bu termodinamik avantaj, yüksek dereceden CO2 döngüleri, daha basit soğutma gereksinimleri ile, buhara kıyasla 80-% 90 ila% 90 azaltılabilir ve kuru soğutma (enerji döngüsü yerine hava ile) gelişmiş üretim tesislerini kullanmak için mümkün olur.

Yenilenebilir Enerjiyi Termodinamik Lisanslarla Bütünleştirin

Rüzgar ve güneş enerjisinin geçiciliği, tamamen yenilenebilir bir ızgaraya en büyük engeldir. Termodinamik çevrimler termal enerji depolama ile bir çözüm sunar: yenilenebilir nesil talepler aşıldığında, aşırı elektrik bir depolama ortamı ısıtabilir - yüksek sıcaklık depolamalı termal mobilyalarla veya faz değiştirme malzemeleriyle çiftleştirilebilir - daha sonra ısı depolama sistemleri ile ısıtılır.

Geotermal enerji, ORC ve sCO2 döngüleri ile doğal olarak çiftlerin doğal olarak tükenebileceği sabit bir ısı kaynağı sağlar - bu da ısı kaynağı koşullarını değiştirmek için hidrolik fracturing kullanan döngü tasarımları gerektirir. Gelişmiş basınç ORC veya değişken-inventoryum CO2 döngüsü, sistemin yüksek verimli bir şekilde sürdürülmesine izin verir - genellikle% 5–15 - bu da ısı kaynağı koşullarını değiştirmeye adapte edilebilir. Gelişmiş döngü tasarımları gerektirir. Gelişmiş döngüler, ayarlanabilir basınç ORC veya değişken-in-inventerlik CO2 döngüsü gibi, sistemin yüksek verimli kalmasına izin verir.

Endüstriyel süreçlerden atık ısı kurtarma - çelik üretim, çimento üretimi, kimyasal üretim - mevcut endüstriyel yığınlar üzerinde büyük bir untapped fırsatı temsil eder. Küresel olarak, endüstriyel atık ısı hesaplarını yaklaşık 20-50% toplam endüstriyel enerji girişi, oRC sistemlerinin çoğu sıfır emisyonlu kaynak olarak kabul eden 200 °C'de, aksi takdirde satın alınan elektrik dağıtımını hızlandırabilir.

Kentsel Deişmanlık için Ekonomik ve Politikalar

Sıfır emisyonlu termodinamik döngülerden elektrik seviyesi geleneksel fosil nesli ile rekabet etmeli ve güneş PV ve rüzgar gibi diğer yenilenebilir teknolojilerle elde edilmelidir. ORC sistemleri için tahminler, 0,15 - 0.1 inçlik bir karbon vergisine bağlı olarak, sCO2 döngüsüne ulaşmak için projelendirilmiştir.

Kentsel ayarlar, termodinamik döngü dağıtım için eşsiz fırsatlar ve kısıtlamalar sunar. Arazi kullanılabilirliği sınırlı, kompakt ayak izi olan döngüleri tercih eder - sCO2 döngüleri burada, özellikle de enerji atıklarından 5-10 kat daha yüksek, gürültü ve estetik düşünceler: konut alanları için elektrik, yüksek çözünürlükte ısıtılır, sıcak su için ısıtılır ve ısınır.

İşgücü gelişimi genellikle göz ardı edilen bir bariyerdir. Termodinamik döngüleri gelişmiş termodinamik, malzeme bilimi, kontrol sistemleri ve proje finansmanı konularında bilgili mühendisler ve teknisyenler gerektirir. Üniversiteler ve teknik kolejler süper kritik akışkanlar, ORC tasarımı ve termal depolama entegrasyonunu içerecektir, ancak endüstri dernekleri eğitimli bir işgücü olmadan, hatta en gelişmiş termodinamik yenilikler ticari dağıtıma ulaşmak için mücadele edecektir.

Future Yol ve Araştırma Frontiers

Bir sonraki sıfır emisyon güç döngüsü muhtemelen sadece tek bileşikler değil, belirli ısı kaynakları ve çevre koşulları için tasarlanmış olan sıvıları içerecek şekilde çalışır -ORC benzeri döngülerinde sıvı olan tuzlar - buhar basıncının riskini ortadan kaldırır - ısı geçişinin arttırılması için ısı transferleri ve ısı transfer sıvıları ile ısı transferleri ile ısı transferleri geliştirebilir.

Dijital ikizler - gerçek zamanlı sensör verileri içeren fiziksel termodinamik döngülerinin sanal kopyaları - daha önce imkansız olan bakım ve dinamik optimizasyona olanak sağlar.Manisa okumalarına dayanan işletim parametrelerini sürekli olarak ayarlarken, dijital ikizler döngüsü en iyi verimlilikte tutabilir veya çevre koşulları değişir. Makine öğrenme algoritmaları özellikle gelişmiş güç çevrimleri için çiftliği tanımlayabilirler.

Metal bileşenlerin 3D baskısını optimize eden gelişmiş üretim teknikleri, döngü tasarımında yeni özgürlük derecelerini açıyor. Bu karmaşık geometriler geleneksel işleme ile tam şeklini takip eden iç soğutma kanallarıyla, ısı transfer ve yapısal gücü optimize eden ısı değiştiricileri ve kompakt recuperatorları tek baskılı montaj zamanları ve sızıntıları azaltabilecek şekilde pahalı olacaktır.

Bu vizyonda, sıfır emisyonlu termodinamik döngüleri için uzun vadeli vizyon, gelecekteki şehirler "enerji interneti"dir - dağıtılmış bir nesil, depolama ve akıllı yazılımlar tarafından yönetilen ve her bina, ısıyı soğutmak için evrensel bir ısıya katkıda bulunan ve her fabrikanın, ısı kurtarma sistemi ile verimli bir şehir-öldürülmesini sağlamak için, bu sistemlerin ısıyı azaltıcı prensiplerini tekrarlayan termodinamik döngüler ile entegre edilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termodinamik, sıfır emisyonlu güç döngülerinin geliştirilmesi için vazgeçilmez bilimsel temel olarak kalır ve enerji güvenliğini sağlamak.İkinci yasa tarafından belirlenen temel sınırlardan, çalışma sıvısı ve döngüsü konfigürasyonu, termodinamik ilkeleri, üretime yönelik mühendislere en iyi performans sınırlarını zorlamak ve maliyet azaltacaktır. Organik Rankine, süperktik CO2 döngüsü ve kombine /hybridalleri her biri, belirli ısı kaynakları ve kentsel bağlamlara kadar gerekli olan farklı avantajları sunar.