ЗАМКНУТАЯ ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Замкнутая паротурбинная установка.
Полезная модель относится к паросиловым установкам, в частности к замкнутым паротурбинным, работающим по особому циклу, сочетающему метод Клода, парокомпрессионной холодильной установки и паросиловой. При этом происходит конденсация влажного пара двуокиси углерода, так как адиабатное расширение газа с отдачей работы обеспечивает его эффективное охлаждение.
Известна паросиловая установка, работающая по циклу Ренкина, содержащая паровой котел, перегреватель, паровой двигатель, электрогенератор, конденсатор и насос (см., например, в книге Кирилин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / В.А. Кирилин, В.В. Сычев, А.Е. Шейдлин. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 296-301).
К недостаткам такой установки следует отнести низкий коэффициент полезного действия.
Известна также теплофикационная установка, содержащая насос, паровой котел, перегреватель, паровую турбину, электрогенератор и конденсатор, в котором потребляется значительное количество теплоты в виде горячей воды и пара для отопления зданий и горячего водоснабжения.
Однако летом значительное количество теплоты для отопления зданий бесполезно теряется.
Ближайшим аналогом, принятым за прототип, является замкнутая паротурбинная установка на низкокипящих веществах, содержащая паровой котел соединенный через паропровод с турбиной, с отделителем жидкости, с компрессором и с конденсатором-теплообменником, кроме того, отделитель жидкости соединен через трубопровод с насосом, (см., например, патент на полезную модель №48364, МПК F01K 25/10, 11.05.2005).
Однако эта установка не нашла практического применения, кроме того при относительно высоких давлениях и относительно низких температурах двуокись углерода значительно отличается от идеального газа, поэтому для нахождения параметров газа или жидкости следует пользоваться специальными таблицами, в которых приводятся значения этих параметров, вычисленных на основании опытов и теоретических исследований.
Задачей является создание работоспособной паротурбинной установки.
Это достигается тем, что конденсатор-теплообменник соединен через паропровод с противоточным теплообменником, затем через трубопровод связан с насосом и с паровым котлом, кроме того насос соединен через трубопровод с противоточным теплообменником и с паровым котлом.
На фигуре представлена схема замкнутой паротурбинной установки.
Замкнутая паротурбинная установка содержит паровой котел 1, соединенный через паропровод 2 с паровой турбиной 3, с отделителем жидкости 4, с компрессором 5, с конденсатором-теплообменником 6, с противоточным теплообменником 7, затем через трубопровод 8 связан с насосом 9 и с паровым котлом 1 Кроме того отделитель жидкости 4 связан через трубопровод 8 с насосом 10, с противоточным теплообменником 7 и с паровым котлом 1. При этом вал паровой турбины 3 соединен с валом электрогенератора 11.
Замкнутая паротурбинная установка работает следующим образом. Насыщенный пар двуокиси углерода, имеющий начальные параметры: давление p1=73,8 бар, температуру Т1=304°K и удельный объем ϑ1″=2,138 дм3/кг, из парового котла 1 по паропроводу 2 поступает в паровую турбину 3, где частично конденсируется и адиабатно расширяется, и превращается в электроэнергию с помощью электрогенератора 11, соединенного с турбиной 3. При адиабатном расширении насыщенного пара в 5 раз и показателе адиабаты 1,45-1,72 давление на выходе из турбины 3 будет примерно в 12,5 раза меньше, чем в котле 1, а удельный объем в 30 раз больше и составят: р2=6 бар, ϑ2″=63,3 дм3/кг при температуре Т2=220°K, следовательно масса жидкости на выходе из турбины будет примерно в 5 раз больше массы пара (см., например, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - М.: Физматгиз, 1963, с. 139-154, а также Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей (Н.Б. Варгафтик, - 2-е издание - М.: Наука с. 167, 185, 187, 580-585). Затем пар и конденсат направляются в отделитель жидкости 4, где разделяется на пар и жидкость. Далее пар сжимается компрессором 5 и поступает в конденсатор-теплообменник 6. В конденсаторе-теплообменнике 6 пар охлаждается до температуры 300°K и нагнетается в противоточный теплообменник 7, в котором охлаждается и полностью конденсируется при постоянном давлении. На выходе из компрессора 5 пар имеет давление p3=23,4 бар, при температуре Т3=353°K, степени сжатия Е=2,8 и коэффициенте адиабаты k=1,35-1,45. Из противоточного теплообменника 7 конденсат нагнетается насосом 9 в паровой котел 1.
Так как пар поступает в противоточный теплообменник 7 при давлении 23,4 бар, то температура конденсации у него будет равна 260°K, удельная теплота парообразования r = 270,5 кдж/кг = 64,4 ккал/кг, удельная теплоемкость Ср=0,22-0,26 ккал/кг. В соответствии с этим определяем необходимое количество энергии для охлаждения 1 кг пара CO2 от 300°K до 260°K.
(300°K-260°K)·0,24 ккал/кг = 9,6 ккал/кг.
При этом конденсат из отделителя жидкости 4 насосом 10 нагнетается по трубопроводу 8 в противоточный теплообменник 7, где жидкость подогревается и подается в паровой котел 1 и цикл замыкается.
Необходимое количество теплоты для нагревания конденсата от 220°K до 260°K и от 260°K до 264°K можно определить следующим образом. Удельная теплоемкость жидкости CO2 при давлении 60 атм. и температуре 253°K составляет Ср=0,478 ккал/кг, средний логарифмический напор между холодильным агентом и теплоносителем равен Θm=6°K, а масса жидкости на выходе из турбины в 5 раз больше массы пара, в соответствии с этим находим:
(260°K-6°K-220°K)·5·0,478 ккал/кг = 81,5 ккал/кг
(264°K-260°K)·5·0,478 ккал/кг = 9,6 ккал/кг
Таким образом потери в конденсаторе-теплообменнике составят примерно 10% от всей подведенной удельной теплоты, кроме того конденсат из противоточного теплообменника нагнетается в паровой котел при температуре примерно 258°K, поэтому эффективный к.п.д. этой установки будет значительно выше даже, чем у самых современных паротурбинных установок и ее можно также использовать для получения низких температур.