Способ получения электрической энергии

 

Использование: для продолжительного и бесперебойного получения электрической энергии, преимущественно на космических объектах. Сущность изобретения: жидкое рабочее тело нагревают в парогенераторе 1 с использованием источника тепловой энергии длительного действия, например, ядерного реактора, превращают в пар и направляют в паровую турбину 2, связанную с электрическим генератором 3. В качестве рабочего тела используют вещество, способное конденсироваться из парообразного в жидкое состояние за счет расширения и связанного с этим охлаждения при прохождении через турбину, например, фреоны, углеводороды, аммиак, воду. Конденсат рабочего тела собирают при помощи установленного непосредственно за турбиной и сообщающегося с ней герметичного баллона, выполненного из теплопроводного материала, и направляют для поворотного использования в парогенератор. Внутренние поверхности стенок баллона выполняют из несмачиваемого жидким рабочим телом материала. Нагрев рабочего тела в парогенераторе осуществляют до температуры, позволяющей ему охлаждаться при прохождении через турбину ниже температуры кипения и критической температуры. 1 с. и, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам получения электрической энергии с использованием в основном ядерных энергетических установок и может быть применено преимущественно на косметических объектах.

Известен способ получения электрической энергии с применением турбогенератора, при котором используют источник тепловой энергии длительного действия, например, ядерный реактор, радиоизотопный источник тепловой энергии и др. при помощи которого нагревают рабочее тело, преобразуют его из жидкого в парообразное состояние и направляют в паровую турбину, связанную с электрическим генератором, прошедший через турбину пар направляют в конденсатор, а полученную в результате конденсации жидкость последовательно и многократно используют в качестве рабочего тела (см. "Политехнический словарь", изд. "Советская энциклопедия", Москва 1980, стр. 201).

Недостатком этого способа является, то что в качестве рабочего тела обычно применяют воду, а полученный при ее нагревании пар для повторного многократного использования после выхода из турбины охлаждают и превращают в воду с использованием конденсатора, который в свою очередь охлаждают с применением проточной воды или воздуха. Этот способ получения электрической энергии не может быть использован на космических объектах, где с внешней средой затруднен и происходит в основном за счет теплового излучения. Этому препятствует также большая масса конденсатора.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ получения электрической энергии, заключающийся в том, что жидкое рабочее тело нагревают в парогенераторе с использованием источника тепловой энергии, например, ядерного реактора, превращают в пар и направляют в паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при этом в качестве рабочего тела используют вещество, способное конденсироваться из парообразного в жидкое состояние за счет расширения и сопутствующего ему охлаждения при прохождении через паровую турбину, после турбины рабочее тело собирают при помощи установленного за турбиной и сообщающегося с ней герметичного конденсатора и направляют при помощи насоса в парогенератор для повторного многократного использования, при этом нагрев рабочего тела в парогенераторе осуществляют до температуры, позволяющей ему охлаждаться до уровня, соответствующего критической температуре и температуре кипения, обеспечивающего возможность конденсации паров рабочего тела при прохождении через паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при помощи которого обеспечивают отвод энергии из системы, отвод тепла производят также за счет теплопередачи в окружающую среду или пространство через стенки конденсатора, в том числе с использованием теплового излучения (см. книгу "Космические двигатели: состояние и перспективы", под редакцией Л.Кейвни, М. "Мир", 1988, стр. 307-308).

Недостатком этого способа получения электрической энергии является то, что применяемый при его осуществлении конденсатор относительно сложен по устройству, имеет значительную массу и оказывает существенное сопротивление движению жидкого рабочего тела вдоль внутренних поверхностей его стенок.

Предложенный способ получения электрической энергии обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении его осуществления при одновременном уменьшении массы соответствующих устройств, снижении сопротивления движения жидкого рабочего тела и постоянном поддержании высокой степени разрежения в полости конденсатора.

Указанный технический результат достигается тем, что жидкое рабочее тело нагревают в парогенераторе с использованием источника тепловой энергии, например, ядерного реактора, превращают в пар и направляют в паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при этом в качестве рабочего тела используют вещество, способное конденсироваться из парообразного в жидкое состояние за счет расширения и сопутствующего ему охлаждения при прохождении через паровую турбину, после турбины рабочее тело собирают при помощи установленного за турбиной и сообщающегося с ней герметичного конденсатора и направляют при помощи насоса и парогенератора для повторного многократного использования, при этом нагрев рабочего тела в парогенераторе осуществляют до температуры, позволяющей ему охлаждаться до уровня, соответствующего критической температуре и температуре кипения, обеспечивающего возможность конденсации паров рабочего тела при прохождении через паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при помощи которого обеспечивают отвод энергии из системы, отвод тепла производят также за счет теплопередачи в окружающую среду или пространство через стенки конденсатора, в том числе с использованием теплового излучения, при этом конденсатор выполняют в виде баллона, непосредственно соединенного с противоположных его сторон с турбиной и насосом, внутренние поверхности стенок баллона выполняют из несмачиваемого жидким рабочим телом материала, при этом исключают попадание внутрь баллона других веществ помимо выходящего из турбины рабочего тела.

В качестве рабочего тела используют, например, фреон, углеводород, аммиак, воду.

На приведенных схемах фиг. 1 в общем виде показано осуществление описываемого способа, при этом баллон дан в разрезе, а стрелками показано направление движения рабочего тела, на фиг. 2 изображена диаграмма цикла термодинамических процессов, происходит при осуществлении предложенного способа получения электрической энергии.

Парогенератор 1 содержит источник тепловой энергии длительного действия, например, ядерный реактор, обеспечивающий нагревание жидкого рабочего и преобразование его в парообразное состояние с соответствующим увеличением объема и повышением давления. В качестве рабочего тела используют, например, фреоны, у которых критическая температура или температура кипения находится в интервале температур от 29,8^oC (фреон Ф-12) до 23,8^oC (фреон Ф-11). Пары рабочего тела направляют в паровую турбину 2, связанную с электрическим генератором 3. При прохождении через турбину пары рабочего тела расширяются и соответственно понижается их температура. Нагревание рабочего тела в парогенератор производят до температуры, позволяющей осуществлять его охлаждение при прохождении через турбину ниже температуры кипения, что обеспечивает возможность конденсации и перехода его в жидкое состояние. При этом рабочее тело обеспечивает перенос энергии от парогенератора 1 и преобразование ее в электрическую энергию с помощью электрического генератора 3, связанного с паровой турбиной 2.

Из паровой турбины рабочее тело направляют в сообщающийся с турбиной герметичный баллон 4, в котором отсутствуют какие-либо другие вещества помимо входящих в состав рабочего тела. В связи с этим в баллоне постоянно поддерживается понижение давление. Перепад давления рабочего тела от входа в турбину до выхода из нее обеспечивает ее работоспособность и возможность преобразования тепловой энергии, поступающей от парогенератора, в электрическую энергию, вырабатываемую электрическим генератором.

Надежность осуществления описываемого способа получения электрической энергии дополнительно повышается путем отвода части тепловой энергии от рабочего тела через теплопроводные стенки баллона, в том числе за счет теплового излучения, что имеет место в космическом пространстве.

Внутрь баллона вводят ядра конденсации в виде распыленного, например, через форсунку, жидкого рабочего тела и этим обеспечивают ускорение процесса конденсации его охлажденных паров. В качестве ядер конденсации могут использоваться мельчайшие частицы другого вещества, входящие в состав рабочего тела и не меняющие корпускулярные свойства при нагревании и конденсации паров рабочего тела.

Выходящее из турбины рабочее тело имеет определенный запас кинематической энергии, что обеспечивает его движение, в том числе в условиях невесомости, внутри баллона и по внутренней поверхности его стенок к насосу 5, установленному с противоположной стороны баллона относительно турбины. Внутренняя поверхность стенок баллона покрыта материалом, не смачиваемым конденсатором рабочего тела, что обеспечивает оседание его на поверхность стенок в виде капель, способствует свободному их движению от турбины к насосу 5 и повышает возможность теплообмена через стенки баллона в связи с отсутствием пленки жидкости на этих стенках.

Насос приводится в действие за счет использования получаемой от генератора 3 электроэнергии и обеспечивает перекачку охлажденного и сниженного рабочего тела по трубопроводу 6 из баллона в парогенератор 1, что устраняет возможность потерь рабочего тела и позволяет его многократное использование в качестве энергоносителя, обеспечивающего в конечном итоге преобразование тепловой энергии в электрическую Иллюстрация описываемого способа получения электрической энергии представлена на схеме фиг. 2, где приведен цикл термодинамических процессов, происходящих при осуществлении данного способа в системе координат p T (давление температура).

Отрезок изотермы А-Б изображает на этой схеме подачу при помощи насоса жидкого конденсата рабочего тела из баллона в парогенератор при практически неизменной температуре T₃ и с повышенным давления от практически нулевого до p₁.

Отрезок изобары Б-В изображает нагревание и испарение (Б-Г₁) рабочего тела в парогенераторе и дополнительное его нагревание в парообразном состоянии (Г₁-В) с увеличением внутренней энергии и с повышением температуры от T₃ до T₁ при постоянном давлении p₁.

Отрезок адиабаты В-Г изображает адиабатическое расширение парообразного рабочего тела в паровой турбине с падением давления от p₁ до практически нулевого (в связи с конденсацией рабочего тела) и снижением температуры от T₁ до критической температуры T₂, при которой происходит конденсация рабочего тела. При этом совершается работа против внешних сил, заключающаяся в приведении в действие электрического генератора. Этот адиабатический процесс является необратимым, а следовательно, приводящим к возрастанию энтропии.

При этом имеется в виду, что передача определенного количества теплоты внешней среде, что является непременным условием данного процесса согласно второму закону термодинамики, осуществляется посредством электрической энергии, преобразуемой в конечном итоге в тепловую энергию без какой-либо временной паузы, которая рассеивается путем теплового излучения в окружающей среде. Помимо этого часть отходов тепловой энергии рассеивается путем излучения в окружающей среде через стенки баллона.

Отрезок изобары Г-А изображает дополнительное охлаждение жидкого конденсата рабочего тела от T₂ до T₃ на стенках баллона за счет теплового излучения во внешнюю среду при практически нулевом давлении в связи с конденсацией рабочего тела.

Как возможный вариант приведенного выше адиабатического процесса В-Г, адиабатическое расширение газообразного рабочего тела при работе турбины происходит до промежуточного значения p₂ с понижением при этом температуры до T¹, близкой к критической, что на диаграмме изображено отрезком адиабаты В-Г¹. Дальнейшее адиабатическое расширение газообразного рабочего тела в полости баллона изображено отрезком адиабаты Г¹-Г с понижением температуры до критической T₂ и конденсацией рабочего тела в жидкое состояние. В соответствии со вторым законом термодинамики избыточная теплота при этом отводится во внешнюю среду через стенки баллона. В данном случае имеется в виде незначительный перепад температуры в интервале T¹-T₂ при малом количестве отводимой теплоты.

Приведенный термодинамический цикл является круговым процессом, в полной мере согласуется с законами термодинамики и всеобщими законами сохранения, что подтверждает возможность осуществления данного способа получения электрической энергии.

Как уже указывалось выше, предлагаемый способ получения электрической энергии предназначен для применения преимущественно на космических объектах, поэтому он не сравнивается с наземными стационарными паросиловыми энергетическими установками по показателям КПД, удельной мощности и другим параметрам, которые могут отличаться в ту или иную сторону.

Формула изобретения

1. Способ получения электрической энергии, заключающийся в том, что жидкое рабочее тело нагревают в парогенераторе с использованием источника тепловой энергии, например ядерного реактора, превращают в пар и направляют в паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при этом в качестве рабочего тела используют вещество, способное конденсироваться из парообразного в жидкое состояние за счет расширения и сопутствующего ему охлаждения при прохождении через паровую турбину, после турбины рабочее тело собирают при помощи установленного за турбиной и сообщающегося с ней герметичного конденсатора и направляют при помощи насоса в парогенератор для повторного многократного использования, при этом нагрев рабочего тела в парогенераторе осуществляют до температуры, позволяющей ему охлаждаться до уровня, соответствующего критической температуре и температуре кипения, обеспечивающего возможность конденсации паров рабочего тела при прохождении через паровую турбину, связанную с электрическим генератором, при помощи которого обеспечивают отвод энергии из системы, отвод тепла производят также за счет теплопередачи в окружающую среду или пространство через стенки конденсатора, в том числе с использованием теплового излучения, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде баллона, непосредственно соединенного с противоположных его сторон с турбиной и насосом, внутренние поверхности стенок баллона выполняют из не смачиваемого жидким рабочим телом материала, при этом исключают попадание внутрь баллона других веществ помимо выходящего из турбины рабочего тела.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют, например, фреон, углеводород, аммиак, воду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2