Патент на изобретение №2291307
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ
(57) Реферат:
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 CnF2n+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 CnF2n+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 СnНn до CnH2n. При избытке фтора, замещающего водород, они превращаются в основном в предельные фторуглероды CnF2n+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 tn начала пиролиза, а затем конденсируют при температуре выше температуры пара в конденсаторе. Фторуглероды, температура начала пиролиза которых ниже температуры tn, 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 tmax=650°C, a температура в конденсаторе в летнее время около t=35°C, следовательно, температурные границы смеси фторуглеродов выбирают следующие: температура кипения tкип>35°C, температура начала пиролиза tпир>650°C. В эти границы укладываются предельные фторугдероды от С6F14 с tкип>50°С и tпир>800°С до С10F22 с tкип=150°С и tпир=680°С. Для оценочного расчета КПД можно взять тепловые параметры среднего из смеси фторуглеродов C8F18: – температура кипения 103°С, – удельная средняя теплоемкость Ср=1644 Дж/кг °С, – теплота испарения r=7,992·104 Дж/кг. Термический КПД цикла При температуре пара в парогенераторе t1=650°C и температуре пара в конденсаторе t2=35°C Q=Cp(t1-t2)+r=1644(650-35)+79920=1090980 Дж/кг L=Q-r=1090980-79920=1011060 Дж/кг
КПД электростанции КПД турбины КПД, учитывающий электрические, тепловые и прочие потери КПД, учитывающий собственные нужды
(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.
Формула изобретения
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 CnF2n+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.
|
||||||||||||||||||||||||||
=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.