16 лет на рынке Беларуси, России, Казахстана. И это только начало!
ru | en

Новые формы для вывода генерации энергии на следующий уровень.

11 Июля 2019

С момента изобретения паровой турбины в 1884 году она остаётся монументальным достижением человечества. Спустя более сотни лет мы продолжаем полагаться именно на турбины при производстве большей части мировой энергии. Вероятно, пришло время переходить на следующий уровень.
Петер ДеБок (Peter deBock) и его коллеги из исследовательского подразделения GE Research в Нискаюна (Нью-Йорк) переосмыслили теплообменник, ключевой компонент системы охлаждения турбины. Источником вдохновения для новой формы аппарата стали лёгкие человека.

Теплообменники используются на электростанциях для перемещения энергии горячего выхлопа, который выходит из первичной газовой турбины, во вторичный контур мощности турбины, или в нижний цикл, для выработки большего количества электроэнергии. Этот процесс по сути охлаждает основной поток выхлопных газов турбины «рабочей жидкостью», похожей на антифриз автомобиля.
Большинство вторичных циклов используют в качестве рабочей жидкости пар. Тем не менее, традиционные сплавы и методы производства ограничивают рабочие температуры до 650 градусов Цельсия.
Но что, если бы был другой способ? Используя другие сплавы, аддитивное производство (3D-печать) и альтернативную рабочую жидкость для вторичного цикла, инженеры надеются повысить рабочую температуру и увеличить тепловой КПД. Более высокие температуры и давления позволят им интенсивнее воздействовать на меньшие площади, извлекая из них больше энергии.
Перспективным для использования в качестве рабочей жидкости является сверхкритический углекислый газ. В этом состоянии CO2 приобретает плотность жидкости, но продолжает двигаться наподобие газа, сохраняя колоссальные объёмы тепловой энергии. Использование сверхкритического углекислого газа позволило бы сделать генератор энергии в 10 раз меньше и более эффективным по сравнению с традиционным генератором, использующим в качестве рабочей среды пар. Кроме того, у такого генератора было бы меньше деталей.

Сверхкритический CO2 является важным приоритетом для ARPA-E, передового исследовательского подразделения Министерства энергетики США. Недавно ARPA-E объявил конкурс на разработку нового типа теплообменника, который мог бы помочь этим передовым электростанциям выдерживать температуры около 900 градусов по Цельсию - более чем на 200 градусов выше, чем у существующих теплообменников, использующих пар - при давлениях более 2,5 Па. 
Когда ДеБок и его коллеги узнали о таких требованиях, они поняли, что для решения задачи потребуется соединить два направления исследовательских лабораторий Нискаюна: дизайн и металлургию. В итоге в качестве материала был выбран никелевый суперсплав,  разработанный для использования в двигателях реактивных самолётов: с одной стороны он устойчив к высоким температурам, с другой - может быть использован для 3D-печати. Именно её возможности навели исследователей на радикальные идеи о том, как должен выглядеть теплообменник, работающий с высокими давлениями и температурами.
lung heat-exchangerКоманда ДеБока вдохновилась структурой легких человека, которые играют важную роль в поддержании температуры тела около 36 градусов. «Легкие, - говорит ДеБок, - являются идеальным теплообменником».
Легкое выполняет свою функцию теплообмена с помощью сети капилляров, которые разделяют поток крови на небольшие потоки, чтобы максимизировать их воздействие на более холодный воздух, поступающий извне, выделяя тепло и поглощая кислород. Теплообменник GE, разработанный ученым Дэном Эрно, делает нечто подобное. Он принимает горячий воздушный поток, который выходит из газовой турбины, разделяет и последовательно собирает его в трёхфазную сеть каналов, каждый диаметром менее 2,5 миллиметров, которые переплетаются с другой сетью каналов, заполненных более холодной рабочей жидкостью (в данном случае, сверхкритический CO2), который работает в противоположном направлении. Горячий воздух и рабочая жидкость физически разделены, но их непосредственная близость обеспечивает эффективный теплообмен.
В апреле ARPA-E предоставил General Electric грант в 2,5 миллиона долларов на разработку демонстрационного теплообменника мощностью 50 кВт с использованием новой конструкции. Партнерами GE в этом проекте являются Национальная лаборатория Ок-Риджа, которая предоставит экспертные знания в области коррозионных исследований для проверки и подтверждения долгосрочных эксплуатационных характеристик материала, а также Университет штата Мэриленд, который поможет с опытом проектирования и оптимизации теплообменников.

Источник