Бинарные циклы - термодинамические циклы с использованием двух рабочих тел , одно из которых имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах, а другое низкую температуру парообразования. Более высококипящее рабочее тело после вращения турбины отдает тепло конденсатору, который одновременно является испарителем для более низкокипящего рабочего тела.

Принцип бинарного цикла

Рабочее тело термодинамического паросилового цикла ( цикл Ренкина ), наиболее удобное с термодинамической и эксплуатационной точек зрения, должно удовлетворять следующим условиям:

• - рабочее тело должно обеспечивать возможно более высокий коэффициент заполнения цикла (т.е. график цикла в координатах T-S должен быть возможно ближе к прямоугольнику). Для этого оно должно иметь как можно меньшую теплоемкость в жидком состоянии. Желательно также, чтобы рабочее тело обладало возможно более высокими критическими параметрами;
• - высокая верхняя температура должна обеспечиваться при не слишком высоком давлении пара, т.к. применение высоких давлений приводит к усложнению и удорожанию установки. Вместе с тем давление насыщения при низшей температуре цикла (близкой к температуре окружающей среды) не должно быть слишком низким; слишком низкое давление насыщения потребует применения глубокого вакуума в конденсаторе, что сопряжено с большими техническими сложностями;
• - рабочее тело должно быть недорогим, оно не должно быть химически агрессивным к конструкционным материалам, из которых выполняется силовая установка; оно не должно быть токсичным.

Однако, в настоящее время не известны рабочие тела, удовлетворяющие всем этим условиям. Самое распространенное рабочее тело в современной теплоэнергетике — вода — не удовлетворяет условию достаточно низкой теплоемкости в жидкой фазе и обладает довольно низкими критическими параметрами, но удовлетворяет условию не слишком низкого значения давления в конденсаторе. Ртуть имеет невысокое давление насыщения при высоких температурах и высокие критические параметры, но очень низкое давление насыщенных паров в конденсаторе. Применение бинарных циклов позволяет использовать преимущества одного теплоносителя при высоких температурах, а другого — при низких. В этом случае первое рабочее тело (например, ртуть) нагревается от сгорания топлива и вращает турбину, отдавая ей часть энергии и охлаждаясь, а затем поступает в конденсатор, который одновременно является испарителем для второго рабочего тела (например, воды), которая, в свою очередь, вращает турбину и охлаждается в конденсаторе с температурой окружающей среды. Это упрощает установку (позволяет избежать слишком высокого давления и слишком низкого вакуума) и повышает ее КПД. Например, бинарный цикл из ртути и воды имеет КПД >60 %, в то время как обычный паровой цикл при тех же температурах — всего 37 % .

Несмотря на более высокий КПД, бинарные циклы используются редко из-за большой сложности установки. Альтернативным способом повысить КПД является цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара.

Рабочие тела

Некоторое распространение получил цикл, использующий . Недостатком такого цикла является использование большого количества дефицитной и очень токсичной ртути (которой требуется примерно 9 кг на каждый килограмм воды). Также в качестве рабочих веществ для верхней части бинарного цикла предлагались дифенилоксид ${\displaystyle {\ce {(C6H5)2O}}}$ , дифенильная смесь (75 % дифенилоксида и 25 % дифенила ${\displaystyle {\ce {C12H10}}}$ ), бромиды сурьмы ${\displaystyle {\ce {SbBr3}}}$ , кремния ${\displaystyle {\ce {SiBr4}}}$ , алюминия ${\displaystyle {\ce {Al2Br3}}}$ и т.д., но они не получили широкого применения.

На старейшей в России и СССР Паужетской ГеоЭС с 2012 г. используется бинарный цикл: высокотемпературный контур — вода, низкотемпературный — фреон R134A ( тетрафторэтан ). Использование бинарного цикла повысило мощность электростанции на 2,5 МВт, или на 20 %

К бинарному циклу можно отнести использование вместо воды водо-аммиачного раствора в ГеоТЭС . Это не только увеличивает выработку ГеоТЭС примерно на 10 %, но позволяет значительно уменьшить массо-габаритные характеристики паровой турбины .

КПД цикла

${\displaystyle \eta ={\frac {m_{p}l^{1}+l^{2}}{m_{p}q_{1}^{1}+q_{1}^{2}}}}$ .

Где:

1. ${\displaystyle m_{p}}$ - расход тела 2, учитывая кратность расхода тела 1 по отношению к телу 2;
2. ${\displaystyle {l^{1}}}$ и ${\displaystyle {l^{2}}}$ - работы произведённые с первым и вторым рабочими телами в соответствующих циклах.
3. ${\displaystyle {q_{1}^{1}}}$ и ${\displaystyle {q_{1}^{2}}}$ - количество теплоты подведённый в соответствующих циклах.

Примечания

Литература

• В.А. Кириллин "Техническая термодинамика" М.:Энергоатомиздат 1983.