Чому використання пари для обертання турбіни ефективніше?

Наприклад, у мене є вихлопна труба з дуже гарячим повітрям від спалювання біопалива, і у мене є турбіна в кінці вихлопу, яка обертається і генерує електроенергію.

Чому ефективніше використовувати тепло для кип'ятіння води, а потім використовувати пар, який виробляється для обертання турбін? Як і чому більше електроенергії, виробленої за допомогою пари для обертання турбін, на відміну від використання пари при спалюванні тієї ж кількості біопалива?

Основна причина полягає в тому, що турбіна вимагає падіння тиску для вилучення енергії з робочої рідини. Падіння температури, яке спостерігається в турбіні, є результатом розширення рідини; турбіна не має способу вилучення теплової енергії безпосередньо з рідини.

Сумарна робота рідини зазвичай виражається як зміна ентальпії, яка є сумою внутрішньої енергії (тепла) і роботою, що виконується розширенням (перепад тиску): $ Delta H = Delta U + Delta (PV) $. Якщо тиск вихлопних газів у вашій камері згоряння не набагато перевищує тиск навколишнього середовища, то в турбіні не буде великого падіння тиску і, отже, не буде багато роботи з боку газу. Газ буде виходити з турбіни при відносно високій температурі, що свідчить про те, що вона все ще має багато енергії, яка не була витягнута турбіною.

Рішення для захоплення цієї втраченої енергії полягає в тому, щоб замість того, щоб взяти частину цієї теплової енергії і перетворити її в енергію тиску киплячою водою - тепер у вас є робоча рідина високого тиску, яка набагато корисніша для керування турбіною. Тепер турбіна здатна витягувати набагато більше вихідної теплової енергії у вигляді тиску, отже, більш високу ефективність.

Нагрівання води для отримання пари не обов'язково є більш ефективним, але набагато більш практичним. Що ви описуєте як двигуни внутрішнього згоряння працюють, наприклад, так it''s вірний концепт. Тим не менш, вони роблять це в сплесках і використовують рідке і ретельно сконструйоване паливо, що робить впровадження більш практичним.

У безперервній системі, як ви описуєте, паливо спалюється при високому тиску. Розглянемо механічну складність додавання додаткового палива до системи під час ущільнення проти цього тиску. Ви також повинні отримати незгорілі відходи якось.

Хоча основна фізика не заважає тому, що ви описуєте, практична інженерія робить. Це простіше спалювати паливо при тиску навколишнього середовища і використовувати тепло для створення високого тиску всередині спеціально розробленого резервуара під тиском. Інакше кажучи, набагато простіше отримати тепло через ущільнювач тиску, ніж тверді тіла з деякими непередбачуваними формами та розмірами.

Ви майже описуєте газотурбінний двигун. Вони використовуються для генерації електричної енергії, а також для живлення літаків. Але, у газовій турбіні, вихід згоряльної камери знаходиться під високим тиском, і що використовується для обертання турбіни. І це інший цикл горіння від парового циклу.

Ви порівнюєте двигун внутрішнього згоряння з двигуном зовнішнього згоряння. Обидва мають переваги та компроміси. Практична ефективність обмежена базовою конструкцією двигуна та матеріалами конструкції. Ви описуєте турбіну з газом турбіни з газом, яка має велике співвідношення потужності до ваги, яке добре для літаків, але є інтенсивним обслуговуванням. Зовнішнє згоряння в котлі для подачі парової установки набагато надійніше, але вимагає важких машин, які добре підходять для заводу з генерацією електроенергії з базовим навантаженням. змінюється базове навантаження.

Необхідна двофазна хімія, що робить тиск за допомогою тепла.

Скороварка з повітрям дає набагато менше тиску, ніж літр води.

Вода по суті є потенційним тиском, що зберігається в холодному стані.

Надкритичні рідини фактично є більш ефективними, ніж пара, але потребують судин високого тиску, а також багато льоду CO2. та інші екзотичні речовини.