ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплосиловым установкам в частности, к паросиловым, работающим по особому циклу, сочетающему метод Клода, парокомпрессионной холодильной установки и теплофикационной. При этом происходит конденсация влажного пара, так как адиабатное расширение газа с отдачей работы обеспечивает его эффективное охлаждение (см., например, Кирилин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 351-352, 370-371, 323-325).
Известна паросиловая установка, в которой осуществлялся цикл Ренкина с перегретым паром, содержащая паровой котел, перегреватель, паровой двигатель, электрогенератор, конденсатор и питательный насос (см., например, в книге В.А. Кузовлев. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. Москва. Высшая школа, 1983, стр. 210-213).
Однако, даже самые лучшие паротурбинные установки превращают в полезную работу только до 42% проводимой теплоты, а потери в конденсаторе при этом составляют до 70%.
Известна также теплофикационная установка, содержащая паровой котел, перегреватель, паровую турбину, электрогенератор, подогреватель-теплообменник и питательный насос (см., например, в книге В.А. Кирилин, В.В. Сычев, А.Е. Шейдлин. Техническая термодинамика. Москва. Энергоатомиздат.1983 г., стр. 323- 325). Однако, летом значительное количество теплоты бесполезно теряется.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является паросиловая установка, содержащая паровой котел последовательно соединенный через паропровод с паровым двигателем, с отделителем жидкости, с компрессором, с насосом и вновь с паровым котлом, кроме того отделитель жидкости дополнительно подключен через трубопровод с насосом и вновь с паровым котлом (см., например, патент на полезную модель №47442 МПК F01K 13/00, 2005 г.).
Однако двухступенчатый компрессор для сжатия пара с большими давлениями и большими объемами представляет собой весьма громоздкое, неудобное в эксплуатации устройство, на привод которого затрачивается чрезмерно большая энергия.
Задачей полезной модели является повышение эффективности цикла паросиловой установки и уменьшение габаритов.
Это достигается тем, что насос связан с противоточным теплообменником, с рубашкой охлаждения компрессора, с паровым котлом, с паровым двигателем, с отделителем жидкости и вновь с насосом, кроме того компрессор соединен с противоточным теплообменником, с подогревателем-теплообменником, с насосом и вновь с противоточным теплообменником.
На фигуре представлена схема паросиловой установки. Паросиловая установка содержит паровой котел 1, связанный последовательно через паропровод 2 и трубопровод 3 с паровым двигателем 4, с отделителем жидкости 5, с насосом 6, с противоточным теплообменником 7, с рубашкой охлаждения компрессора 8 и вновь с паровым котлом 1. Кроме того, отделитель жидкости 5 дополнительно соединен с компрессором 8, с противоточным теплообменником 7, с подогревателем- теплообменником 9, с насосом 10 и вновь с противоточным теплообменником 7. При этом вал парового двигателя 4 связан с валом электрогенератора 11.
1
1
2
2
3
3
3
Паросиловая установка работает следующим образом. Насыщенный водяной пар, имеющий начальные параметры: давление: p=22 МПа, температуру Τ=373,7 С°, плотность ρ=275,5 кг/м, из парового котла 1 по паропроводу 2 поступает в паровой двигатель 4, где частично конденсируется и адиабатно расширяется, и превращается в электроэнергию с помощью электрогенератора 11. При адиабатном расширении пара в 32 раза и показателе адиабаты 1,3 давление ни выходе их парового двигателя будет примерно в 119 раз меньше, чем в котле, а плотность пара в 270 раз меньше и составят р=0,185 МПа, ρ=1 кг/м, при температуре Т=117 С°, следовательно масса жидкости на выходе из парового двигателя будет примерно в 7,5 раза больше массы пара. Затем пар и конденсат направляются в отделитель жидкости 5, где разделяются на пар и жидкость. Далее пар сжимается компрессором 8 и нагнетается в противоточный теплообменник 7, в котором охлаждается и конденсируется при постоянном давлении. На выходе из компрессора 8 пар имеет давление р=1,26 МПа, при температуре Т=386 С°, степени сжатия Е=4 и коэффициенте адиабаты k=1,3. Из противоточного теплообменника 7 конденсат и пар поступают в подогреватель-теплообменник 9, где потребляется значительное количество теплоты для отопления зданий и горячего водоснабжения. В подогревателе-теплообменнике 9 влажный пар полностью конденсируется и затем насосом 10 конденсат нагнетается по трубопроводу 3 в противоточный теплообменник 7.
3
Так как пар поступает в противоточный теплообменник при давлении р=1,26 МПа, то температура конденсации у него будет равна 187,95 С°, удельная теплота парообразования r = 1987 кдж/кг = 470 ккал, удельная теплоемкость пара Ср=2,6 кдж/кг = 0,62 ккал, при относительном КПД компрессора η=0,85.
В соответствии с этим определяем необходимое количество энергии для охлаждения и конденсации 1 кг водяного пара.
(386 С°-188С°)·0,65 ккал: 0,85+470 ккал = 614,4 ккал.
При этом конденсат из отделителя жидкости 5 насосом 6 нагнетается по трубопроводу 3 в противоточный теплообменник 7, где жидкость подогревается до температуры 187,95 С° и подается в рубашку охлаждения компрессора 8, а затем в паровой котел 1, и цикл замыкается.
Необходимое количество теплоты для нагревания конденсата от 117 С° до 187,95 С° можно определить следующим образом. Допустим, масса конденсата, поступающего из парового двигателя составляет 7,5 кг, кроме того в отделитель жидкости, поступает еще 1 кг конденсата из насоса 10, а удельная теплоемкость воды Ср=4,34 кдж/кг = 1,05 ккал/кг, при давлении 1 МПа. Относительный КПД турбины равен: η=0,85, а средний логарифмический напор между конденсирующимся хладагентом и охлаждающей средой составляет: θm=6С°.
В соответствии с этим находим.
(187,95С°-6°С-1170°)·(7,5 кг + 1 кг)·1,05 ккал/кг · 0,85=493 ккал/кг.
Отсюда получаем 614,4 ккал - 493 ккал/кг = 121,4 ккал/кг. 121,4 ккал/кг - это теплофикационный отбор теплоты в подогревателе-теплообменнике, используемый для отопительных целей и горячего водоснабжения.
Таким образом, на привод компрессора затрачивается примерно 30% мощности парового двигателя, поэтому эффективный к.п.д. паросиловой установки может быть повышен, а габариты у нее будут меньше.