Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию тепловой энергии в механическую работу при помощи паровой машины. Изобретение может быть использовано на атомных и тепловых электростанциях, а также на транспорте. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу включает испарение рабочего тела в парогенераторе, расширение его в паровой машине с совершением работы, конденсацию отработанного пара в конденсаторе, при этом в качестве рабочего тела в этом термодинамическом цикле используют смесь предельных фторуглеродов CnF_2n+2 с примесью непредельных фторуглеродов, но с ограничением температуры начала пиролиза, которая должна быть выше температуры пара в парогенераторе, и ограничением температуры конденсации, которая должна быть выше температуры пара в конденсаторе при соответствующем разрежении. Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в увеличении коэффициента полезного действия.

 

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию тепловой энергии в механическую работу при помощи паровой машины. Изобретение может быть использовано на атомных и тепловых электростанциях, а также на транспорте.

Известен способ преобразования тепловой энергии, заключающийся в том, что рабочим телом в контуре парогенератор-турбина служит углекислый газ, который нагревается в теплообменнике до температуры 700-800°С, поступает на газотурбинную установку, а после нее компрессором возвращается в теплообменник (В.М.Новиков. Жидкосолевые ядерные энергетические установки. Перспективы и проблемы. М., 1980 г.). Основной недостаток этого способа состоит в том, что большая доля энергии турбины (около 60%) затрачивается на работу компрессора.

Известен способ преобразования тепловой энергии, в котором в качестве рабочего тела используется водяной пар (Л.С.Стерман и др. Тепловые и атомные электростанции. М.: Энергоиздат, 1982 г.). В современных ТЭС водяной пар на выходе из парогенератора с давлением до 25 МПа температурой около 650°C поступает в цилиндр высокого давления турбины, после него нагревается вновь до 650°С в перегревателе и поступает в цилиндр низкого давления. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе. Конденсат подогревается в подогревателях низкого и высокого давления и насосами закачивается в парогенератор. Основной недостаток этого способа состоит в том, что большая часть полученного в парогенераторе тепла (более 50%) сбрасывается через конденсатор в атмосферу, так как теплота испарения воды очень большая r=2,256·10⁶ Дж/кг.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является (авт.св. СССР №362939, F 01 К 25/00, 1977 г. Рабочее тело термодинамического цикла для силовой энергоустановки), по которому предлагается использование в качестве рабочего тела смеси 70-80% октафторциклобутана С₄F₈ (температура кипения -5°С) и 30-20% углекислоты СО₂ (температура кипения - 56,6°С). Эта смесь действительно хорошо подходит для утилизации низкопотенциального тепла.

Основной недостаток этого изобретения - это невозможность использования указанной смеси для тепловых и атомных электростанций, где температура конденсации определяется температурой воды, поступающей из градирни в конденсатор, которая летом достигает 35°С, что значительно выше температуры конденсации вышеуказанной смеси.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в увеличении коэффициента полезного действия.

Указанный технический результат в способе преобразования тепловой энергии в механическую работу, включающем испарение рабочего тела в парогенераторе, расширение его в паровой машине с совершением работы, конденсацию отработанного пара в конденсаторе, достигается тем, что в качестве рабочего тела в этом термодинамическом цикле используют смесь предельных фторуглеродов C_nF_2n+2 с примесью непредельных фторуглеродов, но с ограничением температуры начала пиролиза, которая должна быть выше температуры пара в парогенераторе, и ограничением температуры конденсации, которая должна быть выше температуры пара в конденсаторе при соответствующем разрежении.

Сущность изобретения заключается в том, что применение в термодинамическом цикле в качестве рабочего тела смеси предельных и непредельных фторуглеродов позволяет значительно уменьшить сброс тепла в конденсатор, так как теплота испарения как предельных, так и непредельных фторуглеродов в 25-28 раз меньше теплоты испарения воды. При существующем методе получения фторуглеродов фторирующими агентами (фтором и фторидами кобальта, марганца, серебра) в выбранной фракции нефти, кроме предельных углеводородов, могут быть и непредельные от С_nН_n до C_nH_2n. При избытке фтора, замещающего водород, они превращаются в основном в предельные фторуглероды C_nF_2n+2, но все же с примесью непредельных фторуглеродов и непрореагировавших углеводородов. (В.Д.Штейнгарц. "Фторуглероды". 1992 г., Химия). При анализе теплофизических и химических характеристик этой смеси установлено, что очистка от остатков углеводородов не трудоемка, а очистку от непредельных фторуглеродов, что наиболее трудоемко, можно не производить, так как их основная тепловая характеристика - теплота испарения примерно совпадает с теплотой испарения соответствующих предельных фторуглеродов. Это позволяет использовать в качестве рабочего тела смесь предельных фторуглеродов с примесью непредельных фторуглеродов с вышеуказанными ограничениями по температуре пиролиза и по температуре конденсации.

Для этого полученную смесь выдерживают определенное технологией время при температуре t_n начала пиролиза, а затем конденсируют при температуре выше температуры пара в конденсаторе. Фторуглероды, температура начала пиролиза которых ниже температуры t_n, распадаются на легкие и тяжелые фракции. При конденсации легкие фракции при соответствующем разрежении сбрасываются в виде газа, а тяжелые фракции конденсируются и используются как составная часть рабочего тела. Предельные и непредельные фторуглероды химически и радиационно стойки, негорючи и коррозионно безопасны.

На современных электростанциях температура пара в парогенераторе t_max=650°C, a температура в конденсаторе в летнее время около t=35°C, следовательно, температурные границы смеси фторуглеродов выбирают следующие:

температура кипения t_кип>35°C, температура начала пиролиза t_пир>650°C.

В эти границы укладываются предельные фторугдероды от С₆F₁₄ с t_кип>50°С и t_пир>800°С до С₁₀F₂₂ с t_кип=150°С и t_пир=680°С.

Для оценочного расчета КПД можно взять тепловые параметры среднего из смеси фторуглеродов C₈F₁₈:

- температура кипения 103°С,

- удельная средняя теплоемкость С_р=1644 Дж/кг °С,

- теплота испарения r=7,992·10⁴ Дж/кг.

Термический КПД цикла η=L/Q, где Q - количество тепла, подведенного к 1 кг рабочего тела, L - энергия 1 кг рабочего тела, превращенная в теоретическую работу в термодинамическом цикле.

При температуре пара в парогенераторе t₁=650°C и температуре пара в конденсаторе t₂=35°C

Q=C_p(t₁-t₂)+r=1644(650-35)+79920=1090980 Дж/кг

L=Q-r=1090980-79920=1011060 Дж/кг

КПД электростанции η_c=η·η_т·η_э·η_теп·η_пр·η_сн.

КПД турбины η_т=0,8-0,9.

КПД, учитывающий электрические, тепловые и прочие потери η_э·η_теп·η_пр=0,9

КПД, учитывающий собственные нужды η_с.н.=0,97

η_с=η·η_т·η_э·η_теп·η_пр·η_сн=0,9267(0,8-0,9)-0,9·0,97=0,647-0,728.

(Л.С.Стерман. Тепловые и атомные электростанции. М.: Энергоиздат, 1982 г.).

Использование предложенного способа в большой энергетике связано с большими капитальными затратами на замену турбин и на производство фторуглеродов. Поэтому более реальным будет применение этого способа при изготовлении новых небольших электростанций, тепловозов и кораблей.

В этом случае можно разработать типовые турбогенераторы. Высокий коэффициент полезного действия электростанции обеспечит снижение почти в два раза топливной составляющей в себестоимости электроэнергии.

Преимущество предложенного способа состоит в следующем:

1. Использование в качестве рабочего тела в термодинамическом цикле смеси предельных и непредельных фторуглеродов обеспечивает повышение коэффициента полезного действия до 64-72%.

2. Использование неочищенной смеси фторуглеродов значительно снижает стоимость рабочего тела, а значит, и себестоимость электроэнергии.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу, включающий испарение рабочего тела в парогенераторе, расширение его в паровой машине с совершением работы, конденсацию отработанного пара в конденсаторе, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела в этом термодинамическом цикле используют смесь предельных фторуглеродов C_nF_2n+2 с примесью непредельных фторуглеродов, но с ограничением температуры начала пиролиза, которая должна быть выше температуры пара в парогенераторе, и ограничением температуры конденсации, которая должна быть выше температуры пара в конденсаторе при соответствующем разрежении.