Pokročilé termodynamické cykly 4. přednáška Autor: Jiří Kučera Datum: 7.3.2018 1
OBSAH Uzavřené cykly s alternativními médii I. Uzavřené cykly s plynovou turbínou (CCGT) Cyklus s nadkritickým CO 2 2
Uzavřené cykly -obecně Úvod Uzavřený pracovní cyklus je definován jako termodynamický systém, ve kterém není s okolím vyměňováno pracovní médium, ale jen tepelná energie. Uzavřený cyklus (např. uzavřený cyklus plynové turbíny), má výhodu v tom, že v něm může obíhat jiné médium než vzduch (spaliny). Může mít charakter Braytonova cyklu nebo charakter Rankinova cyklu nebo něčeho mezi tím. Zásadní nevýhodou oproti otevřenému cyklu je to, že jak přívod tepla do média, tak především odvod tepla z média musíme řešit pomocí výměníků. Cykly charakteru Braytonova cyklu : Uzavřené cykly s plynovou turbínou : médium : He, N 2, Ar Uzavřené cykly s alternativními médii Cykly charakteru Rankinova cyklu : ORC, cyklus se rtutí Ostatní : Cyklus s nadkritickým CO 2, Stirilingův cyklus, Kalinův cyklus 3
Uzavřené cykly s alternativními médii -obecně V: N: můžeme používat média s pro daný účel vhodnějšími termodynamickými vlastnostmi než je voda/vodní pára, nebo vzduch z hlediska spodního tlaku cyklu (tj. u otevřeného cyklu tlak sání a výfuku) nejsme limitováni tlakem okolní atmosféry, ale tlak můžeme volit (vyšší tlak => vyšší měrné výkony => kompaktnější jednotky) není nutno spalovat ušlechtilá paliva jako u GT, protože produkty spalování se nedostávají přímo do cyklu (do expanzní části turbíny) pro přívod tepla do cyklu můžeme využívat různé zdroje vysokopotenciálního i nízkopotenciálního tepla smysl cyklu je možno obrátit a využívat jej jako chladící cyklus resp. cyklus tepelného čerpadla jak přívod tepla do média (*), tak především odvod tepla z média musíme řešit pomocí výměníků u výměníku zajišťujícího odvod tepla z cyklu musíme řešit, jaké chladicí médium je k dispozici cykly bývají komplikované a zařízení bývá nákladné obtížná údržba -> zvláště plnění/vypouštění média do/ze zařízení v případě větší opravy. pro výrobu elektrické energie jsou zatím často jen formou demonstračních jednotek menších výkonů (pro chladicí cykly a tepelná čerpadla jsou ale běžně komerčně využívány) používaná média jsou v určitých případech škodlivá zdraví nebo životnímu prostředí -> musí se zohledňovat přísná bezpečnostní opatření M O T I V A C E (*) Pozn.: Přívod tepla do cyklu prostřednictvím výměníku je ale výjimečně možný i pro otevřený cyklus. Jedná se např. o tzv. CAT = Coal- Fired Air Turbine 4
Uzavřené cykly s plynovou turbínou 5
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Historický úvod : Původní patent na plynové turbíny s uzavřeným cyklem(ccgt) byl vydán již v roce 1935 a turbíny byly poprvé komerčně použity v roce 1939. Vyvíjely se tedy prakticky paralelně s vývojem GT s otevřeným cyklem (jejichž první komerční instalace BBC 4 MW ve švýcarském Neuchâtelu je též z roku 1939). Ve Švýcarsku a Německu bylo do roku 1978 postaveno sedm elektráren využívajících plynové turbíny s uzavřeným cyklem. Palivem v nich bylo černé uhlí, hnědé uhlí a vysokopecní plyn. Z komerčního hlediska stavby elektráren byly plynové turbíny s uzavřeným cyklem ale rychle překonány spalovacímu turbínami s vnitřním spalováním a s otevřeným cyklem, jejichž vývoj byl urychlen vývojem leteckých motorů za 2sv. války. Ty sice vyžadovaly kvalitnější kapalná a plynná paliva, ale byly levnější a jejich účinnost byla navíc dále umocněna stavbou elektráren s paroplynovým cyklem. Nicméně výhodou plynových turbín s uzavřeným cyklem byla kromě levnějšího paliva i vysoká spolehlivost. Nejvýznamnější realizací plynové turbíny s uzavřeným heliovým cyklem byla teplárna Oberhausen 2 s elektrickým výkonem 50 MW (výrobce GHH Sterkrade)provozovaná v letech 1975-1987 v SRN. Motivací bylo otestovat cyklus s heliem pro použití ve vysokoteplotních jaderných reaktorech. 6
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Současné pohledy na využití plynových turbín s uzavřeným Braytonovým cyklem : Možné aplikace pro výrobu elektrické energie : jaderné elektrárny se štěpnými reaktory HTGR - High temperature gas reactor LS-VHTR - Molten salt cooled very-high-temperature reactor LFTR - Liquid fluoride thorium reactor jaderné elektrárny se fúzními reaktory solární elektrárny zařízení s akumulací energie do roztavené soli - Molten salt thermal heat storage vesmírné sondy (díky velmi nízké teplotě okolí mají efektivní chladicí výměník) Možná média : He Ar N 2 CO 2 Přehled vlastností médií je uveden v příloze na konci prezentace. 7
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Současné pohledy na využití plynových turbín s uzavřeným Braytonovým cyklem : 1) Možné médium -He (helium) : Helium je nehořlavé, netoxické a nemá výbušné vlastnosti. Je radiačně stabilní. Má nízkou atomovou hmotnost a je možné jej použít jako moderátor. Je inertní a nedisociuje ani při vysokých teplotách. Má velkou měrnou tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost=> dá se u něj uvažovat o využití jako chladiva v primáru i jako média sekundárního oběhu vzhledem k zvláštním termodynamickým vlastnostem hélia má heliový kompresor/turbína oproti standardním GT stejného výkonu kratší lopatky (větší sekundární ztráty) a mnohem větší počty stupňů => zhoršení účinnosti. Na druhou stranu stupně budou mít stupně malá Machova a vysoká Reynoldsova čísla => zvýšení účinnosti. je relativně málo zkušeností s heliovými zařízeními -hlavně z instalací v SRN (do roku 1987) a nyní v Japonsku vícestupňový experimentální kompresor v měřítku 1/3. Konstrukční problémy zařízení z důvodů velkých výkonů a vysokých teplot (budou diskutovány dále) vysoká cena hélia Porovnání parametrů kompresoru vzduchu a hélia Japonský vícestupňový experimentální kompresor Zdroj informací: A review of helium gas turbine technology for High-temperature gas-cooled reactors. Autoři Hee Cheon No, Ji Hwan Kim, Hyeun Min Kim 8
Uzavřené cykly s plynovou turbínou - hélium Příklad Braytonova cyklu s héliem Propojení ke zdroji přívodu tepla Cyklus v T-s diagramu Komprese s mezichlazením odvod tepla přívod tepla Turbína pohonu kompresoru rekuperace Odvod tepla z cyklu Zdroj informací : An Assessment Of The Brayton Cycle For High Performance Power Plants, autoři : R. Schleicher, A. R. Raffray, C. P. Wong 9
Příklad Braytonova cyklu s héliem Výsledek optimalizace kompresního poměru a výsledná tepelná účinnost : Hlavní parametry s dopadem do tepelné účinnosti cyklu : Zásadně důležitá je vysoká účinnost rekuperace Zdroj informací : An Assessment Of The Brayton Cycle For High Performance Power Plants, autoři : R. Schleicher, A. R. Raffray, C. P. Wong 10
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Konstrukční problémy se zařízením, které by pracovalo v uzavřeném cyklu s héliem Ucpávky Helium jako jednoatomový plyn s nízkou molární hmotností je obtížné zatěsnit. Proto musí být ucpávkám věnována mimořádná pozornost. Pevnost materiálů turbíny při vysokých teplotách Z provozu experimentálních jednotek v SRN bylo zjištěno, že jedním z limitů je pevnost materiálů z hlediska tečení i únavy. Pro nechlazené monokrystalické niklové materiály se předpokládá max. teplota na vstupu do expanzní turbíny 850 C. Na vyšší teploty (cca do 950 C) je možno přejít jen za cenu chlazení disků a lopatek, s tím, že chlazení výrazně sníží zisk z vyšší teploty (např. z 850 C na 950 C zisk 3% na tepelné účinnosti, ale reálně jen 1% kvůli průtoku pro chlazení). Plánovaná životnost disků a lopatek je cca 50000 h -tj. kratší než plánovaná životnost celého zařízení. Zdroj informací : An Assessment Of The Brayton Cycle For High Performance Power Plants, autoři : R. Schleicher, A. R. Raffray, C. P. Wong 11
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Konstrukční problémy se zařízením, které by pracovalo v uzavřeném cyklu s héliem Dynamika rotorů - použití magnetických ložisek Pro dosažení dostatečně vysoké účinnosti lopatek kompresoru a turbíny se jeví potřeba, aby celkový výkon zařízení byl okolo 400 MW. To bohužel znamená velmi vysoké nároky na ložiska, neboť celá rotorová soustava se bude chovat elastická. Předpokládá se nutnost provozu v rotorů v magnetických ložiskách, která budou mít možnost adaptivně měnit své tuhostní a útlumové charakteristiky v závislosti na otáčkách a chování rotoru. Cílem je tedy vývoj magnetických ložisek, která budou schopna udržet rotory s odhadovanou váhou 100 t. Efektivita rekuperace pro dobrou tepelnou účinnost je zásadně důležitá vysoká efektivita rekuperace (využití tepla plynu vystupujícího z expanzní turbíny pro předehřev zkomprimovaného plynu). Efektivita rekuperace (*)uvažovaná ve studiích je předpokládána 95%-96% s využitím nejmodernějších typů deskových výměníků. Dřívější typy trubkových výměníků dosahovaly účinnosti jen kolem 81%-82%. (*) Pozn.: Efektivita rekuperace je zde míněna jako poměr tepla skutečně přeneseného ve výměníku, vůči teplu, které by bylo teoreticky přeneseno ve výměníku s neomezenou teplosměnnou plochou a s nezměněnými vstupními průtoky a teplotami na straně obou médií. Zdroj informací : An Assessment Of The Brayton Cycle For High Performance Power Plants, autoři : R. Schleicher, A. R. Raffray, C. P. Wong 12
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Konstrukční problémy se zařízením, které by pracovalo v uzavřeném cyklu s héliem Schopnost rekuperátoru pracovat při vysokých teplotách a tlacích Pro deskové rekuperátory pracující s teplotami vyššími než 600 C se musí místo ocelí používat niklové slitiny. Max. teplota je pak do 800 C, ale cena materiálu je 10x vyšší a jsou i technologické potíže s jeho zpracováním. Alternativou by mohly být keramické materiály. Rekuperátor musí navíc snést značný tlakový rozdíl na straně obou médií a nesmí způsobovat výraznou tlakovou ztrátu (ve studovaném modelu bylo uvažováno s celkovou ztrátou výměníků v cyklu jako 7% z tlaku za expanzní turbínou). Pro snížení relativní tlakové ztráty výměníků by bylo vhodné zvýšit tlak za expanzní turbínou, což ovšem přináší problémy s teplotou a přetlakem v rekuperátoru - jak je znázorněno na obrázku. Uvažovaná max. teplota a přetlak v rekuperátoru jako funkce teploty před expanzní turbínou a tlaku za ní Zdroj informací : An Assessment Of The Brayton Cycle For High Performance Power Plants, autoři : R. Schleicher, A. R. Raffray, C. P. Wong 13
Uzavřené cykly s plynovou turbínou Další možná média pro uzavřené cykly s plynovou turbínou : Ar -argon v mnohém podobný diskutovanému héliu, ale za stejných podmínek má mnohem větší hustotu a menší měrnou teplenou kapacitu (po přepočtu na jednotku objemu má ale stejnou teplenou kapacitu jako He) je možné uvažovat ho ve směsi s héliem N 2 -dusík termodynamické vlastnosti blízké vzduchu => snadné využití existujících komponent a know-how ze standardních GT s otevřeným cyklem má mnohem větší hustotu a menší měrnou teplenou kapacitu než He (po přepočtu na jednotku objemu má ale tepelnou kapacitu vyšší!) působením radioaktivity na N 2 vzniká isotop 14 C => u jaderných elektráren se dá spíš uvažovat s využitím N 2 v cyklu sekundáru než u primáru (i zde je možné ho uvažovat ho ve směsi s héliem) CO 2 -oxid uhličitý vzhledem k poloze kritického bodu pro CO 2 lze uvažovat s realizací jak uzavřeného Braytonova tak i Rankinova cyklu s CO 2 zvláštní pozornost je proto věnována cyklu s nadkritickým CO 2, který je v literatuře řazen spíš k Braytonovu cyklu, ale určitých směrech stojí na pomezí Braytonova a Rankinova cyklu 14
Cyklus s nadkritickým CO 2 15
Porovnání základního cyklu snadkritickým CO 2 vůči cyklu parní turbíny a spalovací turbíny cyklus podkritické parní turbíny přívod i odvod tepla pod kritickým tlakem cyklus spalovací turbíny (E-B cyklus) přívod i odvod tepla nad kritickou teplotou/tlakem cyklus nadkritické parní turbíny přívod tepla nad kritickým tlakem, ale odvod tepla pod kritickým tlakem cyklus SCO2 turbíny přívod tepla nad kritickým tlakem, odvod tepla při tlaku blízkém kritickému 16
Porovnání základního cyklu snadkritickým CO 2 vůči cyklu parní turbíny a spalovací turbíny cyklus SCO2 turbíny přívod tepla nad kritickým tlakem, odvod tepla při tlaku blízkém kritickému redukce kompresní práce u SCO2 turbíny v těsné blízkosti kritického bodu (*) lze docílit výraznou redukci kompresní práce a tak získat významnou výhodu oproti E-B cyklu (autor obrázku prof. Václav Dostál) (*) kritický bod pro CO 2 je ~ 31 C; 73,8 bar.tzn. pro běžné teploty chladicího média (voda/vzduch do 20 C) lze předpokládat, že je možné realizovat koncový stav po odvodu tepla do blízkosti kritického bodu 17
Porovnání základního cyklu snadkritickým CO 2 vůči cyklu parní turbíny a spalovací turbíny Nadkritický CO 2 je unikátní látkou, neboť viskositou má vlastnosti plynu, ale velmi vysokou hustotou ~200 350 kg/m 3 (v předpokládané oblasti expanzní turbíny resp.464 kg/m 3 v kritickém bodě ~ 31 C, 73,8 bar) připomíná spíš kapalinu. Hustota CO 2 jako funkce teploty a tlaku v okolí kritického bodu Parní turbína 250 MW He -turbína 300 MW S-CO 2 -turbína 300 MW Díky vysoké hustotě by expanzní turbína s nadkritickým CO 2 byla velice kompaktní. 18
Úskalí základního cyklu snadkritickým CO 2 vůči cyklu parní turbíny a spalovací turbíny po expanzi má CO2 stále ještě velmi vysokou teplotu (např. pokles během expanze z 550 C na 400 C) => pomocí rekuperačního výměníkuje třeba převést maximum tepla z vyexpandovaného média do zkomprimovaného média (úseky 4-5 vs. 2-6). ve srovnání s uzavřeným E-B cyklem s rekuprecí je rekuperované teplo v SCO2 mnohem větší a činí několikanásobek tepla přivedeného z primárního zdroje (autor obrázku prof. Václav Dostál) rekupreátor má velmi velké rozměry což je v kontrastu s malou velikostí turbíny... 19
Úskalí základního cyklu snadkritickým CO 2 vůči cyklu parní turbíny a spalovací turbíny Významným úskalím pro rekuperaci je také to, že zkomprimované médium bezprostředně po kompresi (např. úsek 2-2 ) má výrazně vyšší c P (měrnou tepelnou kapacitu) než médium vyexpandované. Tepelná kapacita zkoprimovaného média je až v úseku 2-6 porovnatelná s médiem vyexpandovaným (úsek 4-5). Místo minimálního pinchpointu se tak může objevit uvnitř rekuperátoru. Rekuperátor tak nelze jednoduše navrhovat ze vstupního a výstupního stavu média přes teorii středního logaritmického teplotního spádu a pro nedělený rekuperátor můžou být koncové teplotní rozdíly na vstupu i na výstupu poměrně velké i při velmi velké teplosměnné ploše. (autor obrázku prof. Václav Dostál) 20
Modifikace cyklu s nadkritickým CO 2 pro zvýšení účinnosti - single flow layouts Zdroj : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1738573315001606 21
Modifikace cyklu s nadkritickým CO 2 pro zvýšení účinnosti - split flow layouts Zdroj : http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1738573315001606 22
Nejpoužívanější modifikace cyklu snadkritickým CO 2 pro zvýšení účinnosti Recompression p_inlet Autor diagramu prof. Václav Dostál Koncept rekomprese: v problematickém úseku 2-2, kdy stlačený CO 2 má vysoké c P se do nízkotlakového rekuperátoru (LTR) zavádí jen část komprimovaného média (ale plný průtok vyexpanovaného média). Poměr průtoků se zvolí tak, aby odpovídal poměru rozdílných c P a tím se dosáhne vyrovanějšího průběhu teplot v LTR bez vzniku pinch pointu. Nevýhodou je potřeba druhého re-kompresoru, který komprimuje zbylý průtok (neochlazeného) CO 2, tak, aby jeho parametry byly blízké stavu 2. Až pak se oba průtoky spojí a vysokoteplotním rekupreátorem (HTR) už procházejí společně. 23
Nejpoužívanější modifikace cyklu snadkritickým CO 2 pro zvýšení účinnosti Recompression 550 C 400 C 440 C 220 bar 75 bar 150 C 65 C 35 C Autor obrázku prof. Václav Dostál 24
Popis základních komponent cyklu kompresoru, turbíny, výměníků Kompresor pístový pokusné stendy (např. experimentální jednotka v Řeži) radiální jednostupňový pro jednotky do cca 20 MW (?) axiální deign bude velmi náročný, především kvůli měnícímu se c P a kvůli vysoké hustotě média Radiální kompresor pro projekt HeRo Studie průtočné části axiálního kompresoru pro jednotku cca 250 MW (autor prof.dostál) 25
Popis základních komponent cyklu kompresoru, turbíny, výměníků Turbína radiální jednostupňová pro jednotky do cca 20 MW (?) axiální deign bude velmi náročný, především kvůli vysoké hustotě média robustní lopatky Radiální turbína pro projekt HeRo Studie průtočné části axiální turbíny pro jednotku cca 250 MW (autor prof.dostál) 26
Popis základních komponent cyklu kompresoru, turbíny, výměníků Výměníky jsou zásadní součástí, neboť cyklus je uzavřený, tak přívod i odvod tepla se realizuje přes výměníky ohřívače přívod do cyklu z primárního média rekuperátory převod tepla z vyexpandovaného média do zkomprimovaného média chladiče odvod tepla z cyklu Velké rozměry výměníků jsou v nepoměru s velmi malými rozměry turbočástí (kompresor + turbína). Zdroj obrázku A.Vojáček, Research Center Rez, Prezentace sco2 Experimental Loop 27
Popis základních komponent cyklu kompresoru, turbíny, výměníků Výměníky průlom v technologii SCO2 ale mohou znamenat kompaktní deskové výměníky s mikrokanály vyráběné např. technologií leptání plechů + tlakovým svařováním + navaření vnějších částí elektronovým paprskem. Zdroj obrázků a informací J.Starflinger, Uni Stuttgart, Prezentace výměníků pro projekt HeRo Hotový výměník 28
Realizace ve světě Prototypové zařízení EPS100 fy Echogen : vodou chlazený kondenzátor rekuperátor přívod tepla Schéma prototypového zařízení s nadkritickým CO 2 fy. Echogen, instalovaného v prostorách firmy Dresser-Rand v Olean, NY, USA. Plánované je škálování výkonu od 6MW až do 48 MW. radiální jednokolová turbína výkonu v řádu jednotek MW, 30000 ot/min spojená s generátorem 1800 ot/min přes planetovou převodovku velmi kompaktní design na společném rámu : radiální jednokolová turbína 2,7 MW, 24000-36000 ot/min pro přímý pohon jednokolového odstředivého čerpadla/kompresoru Zdroj : Initial Test Results Of amegawatt-class Supercritical CO2 Heat Engine, Autor : Timothy J. Held a www.echogen.com 29
Výhody cyklu s nadkritickým CO 2 Výhody : ohromné zmenšení turbín velmi kompaktní konstrukce, vhodná i pro retrofity ( vejde se všude ) srovnatelná (asi o trochu nižší) tepelná účinnost ve srovnání s cyklem s H 2 O (při stejných max. teplotách) výhodné médium (v některých aspektech) pro jaderné elektrárny IV. generace, protože jsou zkušenosti s používáním CO 2 v jaderných reaktorech a např. se sodíkem (jedno z chladiv rychlých reaktorů) reaguje CO 2 mnohem méně prudce než H 2 O rozmanité možnosti aplikace (kromě JE i spalovny odpadu/biomasy, akumulace energie, apod.) 30
Nevýhody cyklu s nadkritickým CO 2 Z hlediska cyklu a provozování : zatím je nedostatečná rutinní zkušenost s provozem zařízení s uzavřeným E-B cyklem s vysokými tlaky (*). Jedinou referencí jsou experimentální heliové turbíny provozované v 70. letech 20 stol. v SRN. (*) Cyklus s kondenzací tj. Rakninův cyklus s H 2 O i ORC má masu média akumulovanou v kapalném stavu (sběrače kondenzátu, napájecí nádrž, buben), která z hlediska regulace působí jako výrazný stabilizující prvek provozu. Bez toho je obtížné najíždění, odstavování i větší výkonové změny. Otevřený E-B cyklus má neomezené zdroje média v sání a ve výfuku. Uzavřený E-B cyklus nemá ani jednu z těchto výhod. Pro regulaci by musel využívat rychlých bypassů a dopouštění/odpouštění média do/z cyklu. CO 2 ve vzduchu je ve větších koncentracích (>10%) pro člověka smrtelně jedovatý při dlouhodobější expozici - a to i při dostatečné koncentraci O 2 (!) cyklus optimálně probíhá v poměrně úzkém rozsahu parametrů => je obtížné dosáhnout dobré efektivity nenávrhových (částečných) provozů. Cyklus je také velmi citlivý na podmínky studeného konce, při zvýšení teploty před kompresorem může rychle růst kompresní práce. cyklus má podobné optimální parametry média na vstupu jako nadkritický cyklus s vodní párou (cca 280 bar / 600 C). Cyklus není z hlediska tepelné účinnosti konkurenceschopný ani při nejvyšších teplotách (konkuruje mu uzavřený E-B cyklus s heliem) ani při nízkých teplotách (konkuruje mu ORC). 31
Riziko otravy CO 2 Je nutné uzpůsobit ventilaci strojovny pro případ náhlého uvolnění CO 2, protože i když obecně se CO 2 považuje za nejedovatý, s tím že jeho riziko spočívá v tom, že vytlačí z prostředí O 2 k dýchání, není to pravda. Při vyšší koncentraci CO 2 zabrání efektivní výměně O 2 a CO 2 v plících a způsobí překyselení organizmu a to i v případě že je v okolním prostředí dostatek kyslíku. 1 1,5% mírné účinky na metabolismus nastupují po několikahodinové expozici 3% slabě omamný, vyvolává hluboké dýchání, zhoršený sluch a bolesti hlavy, zvýšení krevního tlaku a zrychlení tepové frekvence. 4 5% zrychlené, hluboké dýchání, známky otravy začnou být zjevné po 30 minutách expozice. 5 10% postižený má bolesti hlavy a ztrácí schopnost úsudku. 10% a více pokud je koncentrace oxidu uhličitého vyšší než 10%, dojde do jedné minuty kbezvědomí a pokud nedojdekokamžitému zásahu, vede další expozice s takto vysokou koncentrací kúmrtí. Zdroj informací : Jan Sova, Experimentální zařízení pro výzkum cyklů s nadkritickým CO2 v Jižní Koreji, prezentace pro ATC 2016 32
Nevýhody cyklu s nadkritickým CO 2 Z hlediska turbočástí kompresoru a turbíny : médium s velkou hustotou vede k velkým výkonům při malých rozměrech => potřeba vysokých otáček pro turbíny menších výkonů a vysoké namáhání lopatek ohybem od přenosu výkonu. změny měrné tepelné kapacity CO 2 během komprese komplikují proudový návrh průtočné části axiálního kompresoru cyklus probíhá za vysokých tlaků (např. 280 bar před expanzí / 73 bar po expanzi) => účinnost bude významně ovlivněna kvalitním provedením ucpávek. Preferují se kontaktní ucpávky. nadkritické CO 2 je výborným rozpouštědlem minerálních olejů. Pro zapouzdřené jednotky, kde je pravděpodobnost kontaktu CO 2 s ložiskem je nutné používat speciální maziva. při nekontrolovaném úniku CO 2 přes ucpávky nebo vřetena ventilů (např. při poruše), hrozí zamrznutí směsí suchého ledu z CO 2 resp. i vodního ledu (ze vzdušné vlhkosti). Zamrznutí vřeten ventilů přitom může vést ke katastrofě (přetočení stroje). 33
Nevýhody cyklu s nadkritickým CO 2 Z hlediska výměníků : výměníky zatím vycházejí velmi rozměrné v nepoměru ke kompaktní velikosti turbočástí. Šancí na změnu je rozvoj výroby speciálních kompaktních deskových výměníků. nízká tlaková ztráta výměníků a vysoká efektivita přestupu tepla ve výměnících jsou naprosto zásadní pro dosažení dobré teplené účinnosti cyklu. Bohužel pro danou velikost výměníku jsou tyto dvě vlastnosti ve vzájemném rozporu. kritickou částí cyklu je rekuperační výměník, vždyť množství rekuperovaného tepla je násobně větší než množství tepla přivedeného ze vnějšího zdroje (viz obrázek). 34
Děkuji za pozornost 35
Orientační Přehled pracovních látek s jejich fyzikálními vlastnostmi Zdroj :BP Termodynamický cyklus heliem chlazeného reaktoru IV. generace Autor : Petr Kollross + doporučený zdroj dalších informací : http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid- skvělé tabulky termofyzikálníchvlastností různých pracovních médií (chemikálií) 36