Как отмечалось выше, термический КПД паросиловых установок очень низкий, в связи с чем большое количество тепловой энергии может сбрасываться в окружающую среду, вызывая ряд экологических проблем, обусловленных повышением температуры этой среды. Повысить КПД паросиловой установки можно путем повышения температуры пара перед турбиной (после пароперегревателя). Однако для паросиловых установок, работающих на водяном паре, существует ограничение по давлению, которое не должно превышать 30 МПа, Это ограничение в первую очередь связано с прочностью современных материалов, применяемых для изготовления паросиловых установок. Ограничение верхнего предела давления пара в паросиловом цикле не позволяет увеличить температуру пара более 600° С. Нижняя температура рабочего тела в цикле Ренкина составляет 15… 30°С.
Сравнивая циклы паросиловых установок с циклами ДВС, убеждаемся, что в последних температура рабочего тела может достигать 1000° С, не вызывая существенных проблем прочности материалов, из которых они изготовлены. В ДВС средняя температура рабочего тела в процессе подвода тепловой энергии больше, чем в цикле паросиловой установке. Вместе с тем нижний предел температуры достигает 350…450°С при расширении продуктов сгорания топлива до атмосферного давления.
Так как температура отработавших в ДВС газов относительно большая, то это подтолкнуло инженеров к объединению этих двух циклов, газового и паросилового, в единой энергетической установке, называемой комбинированной (бинарной).
На рис. 11.28 показана схема парогазовой установки. Атмосферный воздух засасывается центробежным компрессором ВК и подается в камеру
Сгорания КС, являющуюся составной частью высоконапорного парогенератора ПГ. При адиабатическом сжатии воздуха в компрессоре ВК его температура возрастает без изменения энтропии (процесс а-Ь; рис. 11.29). При сгорании топлива в камере сгорания КС температура газов увеличивается (процесс Ь-с). Часть этой тепловой энергии используется в высоконапорном парогенераторе ПГ и пароперегревателе 1111 (рис. 11.28) для получения перегретого водяного пара (процесс 4-5-1; рис. 11.29). Часть газов из камеры сгорания КС направляется в газовую турбину ГТ (рис. 11.28), где в процессе расширения (процесс C—D; рис. 11.29) совершают полезную работу, вращая генератор Г1. В генераторе Г1 происходит преобразование энергии из механической формы в электрическую форму.
Покидающие газовую турбину ГТ отработавшие газы поступают в газоводяной подогреватель ГВ, где охлаждаются (процесс D—A; рис. 11.29) и подогревают конденсат (процесс 3-4), образующийся в конденсаторе КН паровой турбины ПТ.
Перегретый пар из пароперегревателя ПП поступает в паровую турбину ПТ, в которой расширяется (процесс 1-2; рис. 1.29), совершая полезную работу. В генераторе Г2 происходит преобразование механической энергии, получаемой от паровой турбины ПТ, в электрическую энергию.
Отработавший в паровой турбине пар поступает в конденсатор КН, где конденсируется (процесс 2-3; рис. 11.29) и откачивается водяным насосом ВН через газоводяной подогреватель ГВ в высоконапорный парогенератор ПГ (рис. 11.28).
Таким образом, полный термодинамический цикл парогазовой установки (рис. 11.28) состоит из двух циклов (рис. 11.29):
• газового A—B—C—D;
• парового 1-2-3-5.
Расчеты показывают, что термический КПД комбинированного цикла больше по сравнению с КПД отдельно взятого парового или газового циклов и дает экономию топлива до 15% [2, 20, 27, 30, 31].
На рис. 11.30 показана энергетическая установка французского инженера Дю Тремблей, работающая по бинарному циклу. Такой водоэфирной энергетической установкой было оснащено французское парусно-винтовое судно водоизмещением 500 тонн.
Водяной пар из котла поступал в цилиндр высокого давления паровой машины, в котором, расширяясь, совершал полезную работу. После цилиндра пар поступал в теплообменник, где конденсировался. Этот теплообменник являлся одновременно и эфирным котлом, в котором тепловая энергия от конденсирующегося водяного пара передавалась эфиру (С4Н10О). Конденсат возвращался в котел, замыкая пароводяной цикл. Пар эфира расширялся в цилиндре низкого давления машины, совершая полезную работу, после чего поступал в конденсатор, охлаждаемый забортной водой. В конденсаторе пары эфира конденсировались и возвращались в теплообменник — конденсатор, замыкая пароэфирный цикл.
Таким образом, установка позволяла раздвинуть интервал начальной и конечной температур рабочих тел, участвующих в цикле, уменьшив при этом главную составляющую потерь тепловой энергии, уносимой забортной водой в конденсаторе, достигающую в котломашинной установке (КМУ) 50% и более от получаемой в котле при сжигании топлива.
Так как эфир обладает более низкой по сравнению с водой температурой кипения, то это позволило понизить конечную температуру рабочего тела в цикле.