Dlaczego stosowanie pary do obracania turbiny jest bardziej wydajne?

Na przykład mam rurę wydechową z bardzo gorącym powietrzem ze spalania biopaliwa i mam turbinę na końcu spalin, która obraca się i wytwarza prąd.

Dlaczego bardziej efektywne jest wykorzystanie ciepła do zagotowania wody niż wykorzystanie wytworzonej pary do obracania turbin? Jak w takim razie dlaczego więcej energii elektrycznej generuje się przy użyciu pary do obracania turbin, a nie przy użyciu pary podczas spalania tej samej ilości biopaliwa?

Głównym powodem jest to, że turbina wymaga spadku ciśnienia w celu wydobycia energii z płynu roboczego. Spadek temperatury obserwowany w turbinie jest wynikiem ekspansji płynu; turbina nie ma sposobu na wydobycie energii cieplnej bezpośrednio z płynu.

$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

Rozwiązaniem problemu wychwytywania tej zmarnowanej energii jest pobranie części tej energii cieplnej i przetworzenie jej na energię ciśnienia przez gotowanie wody - teraz masz wysokociśnieniowy płyn roboczy, który jest znacznie bardziej przydatny do napędzania turbiny. Turbina może teraz pobierać znacznie więcej pierwotnej energii cieplnej w postaci ciśnienia, a zatem wyższej wydajności.

Podgrzewanie wody w celu wytworzenia pary niekoniecznie jest bardziej wydajne, ale o wiele bardziej praktyczne. Opisujesz na przykład, jak działają silniki spalinowe, więc jest to ważna koncepcja. Robią to jednak w seriach i używają płynnego i starannie zaprojektowanego paliwa, co sprawia, że ​​wdrożenie jest bardziej praktyczne.

W opisywanym systemie ciągłym paliwo jest spalane pod wysokim ciśnieniem. Rozważ mechaniczną trudność dodawania większej ilości paliwa do układu podczas uszczelniania przed tym ciśnieniem. Musisz także w jakiś sposób pozbyć się niespalonych odpadów.

Choć podstawowa fizyka nie przeszkadza w opisywaniu tego, co opisujesz, robi to praktyczna inżynieria. Łatwiej jest spalać paliwo pod ciśnieniem otoczenia i wykorzystać ciepło do wytworzenia wysokiego ciśnienia w specjalnie zaprojektowanym zbiorniku ciśnieniowym. Innymi słowy, o wiele łatwiej jest uzyskać ciepło przez uszczelnienie ciśnieniowe niż ciała stałe o nieco nieprzewidywalnych kształtach i rozmiarach.

Prawie opisujesz silnik turbiny gazowej. Są one wykorzystywane do generowania energii elektrycznej, a także do napędzania samolotów. Ale w turbinie gazowej moc wyjściowa komory spalania znajduje się pod wysokim ciśnieniem, co służy do obracania turbiny. Jest to inny cykl spalania niż cykl parowy.

Porównujesz silnik spalania wewnętrznego z silnikiem spalania zewnętrznego. Oba mają zalety i kompromisy. Wydajność praktyczna jest ograniczona przez podstawową konstrukcję silnika i materiały konstrukcyjne. Opisujesz turbinę napędzaną spalinami z turbiny gazowej, która ma wysoki stosunek mocy do masy, co jest dobre dla samolotów, ale wymaga intensywnej konserwacji. Zewnętrzne spalanie w kotle zasilającym elektrownię parową jest znacznie bardziej niezawodne, ale wymaga ciężkich maszyn, co jest dobre dla elektrowni obciążonej podstawowo - w tym przypadku potrzebujesz niezawodności i łatwej możliwości zwiększenia produkcji energii poprzez spalanie większej ilości paliwa, ponieważ zmienia się obciążenie podstawowe.

Konieczna jest dwufazowa chemia, która powoduje, że ciśnienie wykorzystuje ciepło.

Szybkowar z samym powietrzem wytwarza znacznie mniejsze ciśnienie niż w przypadku litra wody.

Woda działa potencjalnie na ciśnienie przechowywane w stanie zimnym.

Płyny nadkrytyczne są w rzeczywistości bardziej wydajne niż para, ale wymagają naczyń o wyższym ciśnieniu i dużej ilości CO2 z lodu. i inne egzotyczne substancje.