Почему использование пара для вращения турбины более эффективно?

Например, у меня есть выхлопная труба с очень горячим воздухом от горящего биотоплива, и у меня есть турбина в конце выхлопа, которая вращается и генерирует электричество.

Почему более эффективно использовать тепло для кипячения воды, чем использовать пар, производимый для вращения турбин? Как, например, почему при вращении турбин генерируется больше электричества, а не при использовании пара при сжигании такого же количества биотоплива?

Основная причина в том, что турбина требует падения давления для извлечения энергии из рабочей жидкости. Падение температуры, которое наблюдается в турбине, является результатом расширения жидкости; турбина не имеет возможности извлекать тепловую энергию непосредственно из жидкости.

Общая работа, выполняемая жидкостью, обычно выражается в виде изменения энтальпии, которая представляет собой сумму внутренней энергии (тепла) и работы, выполняемой расширением (перепад давления): . Если давление выхлопа вашей камеры сгорания не намного выше давления окружающей среды, тогда не будет большого падения давления на турбине, и, следовательно, газ не будет выполнять большую работу. Газ будет выходить из турбины при относительно высокой температуре, что указывает на то, что он все еще имеет много энергии, которая не была извлечена турбиной.$\Delta H = \Delta U + \Delta (PV)$

Решение для захвата этой потраченной энергии состоит в том, чтобы вместо этого взять часть этой тепловой энергии и преобразовать ее в энергию давления за счет кипячения воды - теперь у вас есть рабочая жидкость высокого давления, которая гораздо более полезна для управления турбиной. Турбина теперь способна извлекать гораздо больше исходной тепловой энергии в виде давления, следовательно, более высокая эффективность.

Нагрев воды для приготовления пара не обязательно более эффективен, но гораздо более практичен. Например, вы описываете, как работают двигатели внутреннего сгорания, поэтому это правильная концепция. Тем не менее, они делают это по очереди и используют жидкое и тщательно спроектированное топливо, что делает реализацию более практичной.

В непрерывной системе, как вы описываете, топливо сжигается под высоким давлением. Рассмотрим механическую сложность добавления большего количества топлива в систему при герметизации от этого давления. Вы также должны вытащить несгоревшие отходы как-то.

Хотя базовая физика не мешает тому, что вы описываете, практическая инженерия делает. Проще сжигать топливо при атмосферном давлении и использовать тепло для создания высокого давления внутри специально сконструированного сосуда под давлением. Другими словами, гораздо легче переносить тепло через герметизирующее уплотнение, чем твердые вещества с несколько непредсказуемыми формами и размерами.

Вы почти описываете газотурбинный двигатель. Они используются для выработки электроэнергии, а также для питания самолетов. Но в газовой турбине выход камеры сгорания находится под высоким давлением, и это используется для вращения турбины. И это другой цикл сгорания от парового цикла.

Вы сравниваете двигатель внутреннего сгорания с двигателем внешнего сгорания. Оба имеют свои преимущества и компромиссы. Практическая эффективность ограничена базовой конструкцией двигателя и материалами конструкции. Вы описываете газотурбинную турбину с приводом отработавших газов, которая имеет высокое отношение мощности к массе, что хорошо для самолетов, но требует интенсивного технического обслуживания. Внешнее сгорание в котле для питания паровой установки гораздо надежнее, но требует тяжелых машин, которые подходят для электростанции с базовой нагрузкой - в этом случае вам нужна надежность и легкая возможность увеличить производство электроэнергии, сжигая больше топлива, так как базовая нагрузка меняется.

Необходима двухфазная химия, которая создает давление с использованием тепла.

Скороварка только с воздухом создает намного меньшее давление, чем с литром воды.

Вода фактически обладает потенциальным давлением, хранящимся в холодном состоянии.

Сверхкритические жидкости на самом деле более эффективны, чем пар, но требуют сосудов более высокого давления и большого количества льда CO2. и другие экзотические вещества.