Термический КПД бинарного цикла определяется выражением

(3.33)

где l _р и l _в –– удельные работы, производимые в ртутном и пароводяном контурах бинарного цикла;

q _1p и q _1в –– удельные теплоты, подводимые в контурах цикла от внешних источников теплоты.

В рассмотренном цикле q _1в –– теплота, затрачиваемая на перегрев водяного пара (процесс 6–1), так как нагрев воды до температуры кипения и испарение воды осуществляются за счёт теплоты, отдаваемой конденсирующимся ртутным паром.

При значениях температуры и давления в ртутном и пароводяном контурах цикла, указанных выше, применение ртутной надстройки над паровым циклом позволяет повышать термический к.п.д. цикла почти в два раза по сравнению с обычным циклом Ренкина. Однако бинарные циклы не получили распространения из-за технических трудностей, с которыми связано сооружение таких установок.

В последнее время получили распространение в стационарной энергетике и на транспортных судах другие комбинированные энергетические установки. В них одновременно используются два разнотипных тепловых двигателя с термодинамически связанными циклами. В газопаротурбинных установках газы, отработавшие в газовой турбине и имеющие температуру от 380 до 550ºС, используются в утилизационном котле для получения перегретого пара с температурой от 330 до 470ºС. Пар расширяется в утилизационной паровой турбине и вырабатывает дополнительную энергию.

Цикл такой комбинированной установки приведен на рис. 3.23. Паротурбинный 1–2–3–4–5–6–1 и газотурбинный

I–II–III–IV–V–I циклы построены для разных количеств рабочего тела: первый для 1кг пара, а второй для m кг газа. Значение m определяется из условия, что на нагрев рабочего тела

Рис. 3.23. Цикл газопаротурбинной установки.

нижней ступени цикла (ПТУ) используется теплота, отводимая на участке IV–V изобары p ₂ верхней ступени (ГТУ). Тогда из уравнения теплового баланса утилизационного котла

.

(3.34)

Термический к.п.д. газопаротурбинного цикла определяется из соотношения

,

(3.35)

где l _г и l _п –– значения работ в газовом и паровом циклах,

q ₁ –– теплота, подводимая к 1 кг газа.

Применительно к циклу, изображенному на рис. 3.23, уравнение (3.35) записывается следующим образом:

.

(3.36)

Работой водяного насоса (процесс 3-4) при этом пренебрегли, так как давление пара в утилизационном котле чаще всего невелико.

Утилизация теплоты отработавших газов ГТУ позволяет увеличить мощность судовой установки на 25÷30%, а стационарной –– до 50% мощности газотурбинного двигателя без дополнительного расхода топлива. Эффективный к.п.д. лучших зарубежных газопаротурбинных установок с максимальной температурой газов Т _III = 1400÷1500ºС достигает 55÷60%, то есть сопоставим с к.п.д. двигателей внутреннего сгорания.

Интересным вариантом газопарового цикла является цикл теплоэнергетической установки с магнитогидродинамическим (МГД) генератором электрической энергии. В этом генераторе теплота сгорания топлива расходуется на нагрев рабочего тела до очень высокой температуры (2500÷2600 ºС). В таком состоянии газ является ионизированной, то есть электропроводящей средой. Горячий газ изоэнтропно расширяется в сопле, где приобретает высокую скорость (≈1000 м/с), и поступает в канал МГД-генератора. Канал находится в магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны оси канала. При движении электропроводящего газа в магнитном поле в газе возникает электрический ток, который отводится к потребителю с электродов, находящихся на стенках канала.

Количество отводимой электроэнергии равно разности значений энтальпии рабочего тела до и после расширения. Таким образом, МГД-генератор является устройством безмашинного преобразования теплоты в электрическую энергию. МГД-генератор позволяет более эффективно по сравнению с ПТУ использовать теплоту высокого температурного потенциала, выделяющуюся при сгорании топлива (благодаря отсутствию в этом генераторе движущихся частей, испытывающих механические напряжения).

Для снижения минимальной температуры цикла и обеспечения тем самым высокого значения термического к.п.д. в состав теплоэнергетического комплекса включается ПТУ, в которой водяной пар генерируется за счет теплоты газов, выходящих из регенеративного воздухоподогревателя. Поэтому цикл МГД-установки, работающей по открытой схеме, аналогичен циклу газопаровой установки, представленному на рис.3.23. Отличием является использование в газовой части цикла МГД-установки регенеративного теплообмена между газами, выходящими из канала генератора, и воздухом, поступающим в камеру сгорания. Такой теплообмен позволяет подогреть воздух до 1500ºС и увеличить максимальную температуру цикла и значение термического к.п.д. (до 70%).

К сожалению, установки с МГД-генераторами пока не используются из-за малой жаростойкости электродов, но они перспективны для энергетики, так как позволяют не только обеспечить экономию топлива, но и сосредоточить большую мощность в одном агрегате. Вероятно, они найдут применение в будущем по мере получения материалов, способных длительно выдерживать высокую температуру.