ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Органические вещества как рабочие тела паротурбинных установок из "Паротурбинные установки с органическими рабочими телами " Вода по своим термодинамическим и теплофизическим свойствам превосходит ОРТ, как это видно из табл. 1.1 [ 127 ]. С ростом молекулярного веса снижаются значения критерия Клаузиуса органических веществ. [c.11] Это ведет к росту потерь от неадиабатичности процессов нагрева жидкости в регенераторе и парогенераторе и уменьшению доли теплоты, подводимой к ОРТ в процессе его испарения, а в конечном итоге обусловливает уменьшение термического КПД цикла. При одних и тех же условиях вода характеризуется наибольшими значениями коэффициентов теплоотдачи, а фреоны — наименьшими. Остальные ОРТ имеют коэффициенты теплоотдачи, располагающиеся внутри указанного диапазона. Для паров ОРТ при заданных температурах это соотношение может изменяться вследствие зависимости плотности паров от давления насыщения. [c.11] Протекающие при термическом разложении ОРТ, достаточно сложны и до конца не изучены. Изменение физических свойств ОРТ при термическом разложении связано с растворением продуктов разложения в первоначальном рабочем теле, в результате чего получается вещество с новым химическим составом. [c.12] Результаты исследований [103] показывают, что основное влияние на физические свойства ОРТ оказывает массовое содержание в нем низкокипящих и высококипящих продуктов разложения. Так, следствием накопления в ОРТ низкокипящих веществ является увеличение давления насыщенных паров разложившихся органических веществ, а повышения массового содержания высококипящих веществ — рост плотности, теплопроводности и вязкости. [c.12] Интенсивность термического разложения ОРТ определяется целым рядом взаимосвязанных факторов температурой и условиями нагрева материалами, с которыми контактирует ОРТ в процессе нагрева наличием кислорода в ОРТ и др. В качестве меры термической стойкости ОРТ наиболее часто используется температура его термического разложения р. При этом надо иметь в виду, что она определяется по предельно допустимой степени разложения ОРТ применительно к конкретным условиям и продолжительности нагрева. По этой причине возможен существенный разброс экспериментальных данных по р одного и того же вещества, как это показано в табл. 1.1. [c.12] Результаты многочисленных исследований по термической стойкости ОРТ [15, 120] показывают, что наибольшими и примерно одинаковыми значениями 7х. р обладают дифенил и ДФС. Однако последняя выгодно отличается более низкой температурой плавления (табл. 1.2) [120]. На рис. 1.2 представлен график зависимости температуры термического разложения ДФС от времени непрерывного функционирования при условии, что предельно допустимая степень ее разложения составляет 15 % [103]. [c.12] Обобщение результатов исследований взаимодействия ОРТ со смазывающими материалами [120] показывает, что скорость реакции между ними возрастает с увеличением температуры. Кроме того, скорость реакции зависит от типов металлов, контактирующих с ОРТ и смазывающим веществом, количества воздуха, а также присутствия влаги и примесей в смазке. [c.13] Ограничения по термической стабильности обусловливают существенно меньшие (по сравнению с водой) значения изоэнтрон-ного перепада энтальпий йт, в ПТУ с ОРТ. Значения величины для воды и ОРТ представлены в табл. 1.1. Из нее видно, что с ростом молярной массы значения убывают. Следствием этого являются два обстоятельства, во-первых, потребность в больших, по сравнению с турбинами водяного пара, расходах ОРТ для обеспечения одинаковых мощностей на валу во-вторых, малые значения величины эквивалентных ему скоростей истечения Сщ. [c.14] Малые значения величины позволяют добиться удовлетворительных значений параметра и/С и — окружная скорость на среднем диаметре рабочего колеса турбины) при умеренных угловых скоростях. Так, по данным [39], частота вращения теплофикационных органических турбин лежит в пределах 25. .. 50 с , что дает возможность изготавливать диски рабочих колес из дешевой стали. Заметим, что в турбинах космических ПТУ часто идут на увеличение частоты вращения до 400 с [132] и даже до 1600 с [25] с целью сокращения диаметра рабочего колеса в соответствии с жесткими требованиями по компоновке энергоустановки. При малых значениях Сф снижаются также ударные потери при подводе потока ОРТ к лопаткам рабочего колеса, а следовательно, повышается лопаточный КПД турбины. [c.14] Большие массовые расходы ОРТ через турбину также обусловливают ряд особенностей органических турбин по сравнению с турбинами водяного пара. Вследствие высокой молярной массы ОРТ (см. табл. 1.1) удельный объем их перегретого пара в конце процесса расширения меньше соответствующего объема пароводяной смеси. Однако увеличение массового расхода у органических турбин превалирует над уменьшением удельного объема пара, а поэтому для органических турбин характерны гораздо большие удельные объемные расходы пара на выходе, чем для турбин водяного пара. Поэтому при значительной высоте лопаток турбины малой мощности имеют высокую степень их парци-альности, что, в свою очередь, способствует увеличению эффективности органических турбин. [c.14] Заканчивая рассмотрение влияния свойств ОРТ на рабочие процессы и конструктивные псобенности органических турбин, отметим, что малые значения изоэнтропного перепада энтальпий позволяют выполнить эти турбины одно-, трехступенчатыми, что существенно упрощает конструкцию турбин и снижает капитальные затраты на их изготовление по сравнению с многоступенчатыми турбинами водяного пара. Кроме того, к числу недостатков использования воды относится значительный рост давления насыщения ps при увеличении температуры насыщенных паров Т,. Например, при Т = 643 К для воды ps = 21,468 МПа. Это усложняет создание агрегатов высокого давления для ПТУ, в том числе и турбин, и увеличивает их металлоемкость. У ОРТ, в отличие от воды, высоким температурам насыщения соответствуют низкие значения давлений насыщенных паров, в частности у ДФС при Ts = 643 К Ps = 0,694 МПа. Отмеченное свойство благоприятно сказывается на создании агрегатов высокого давления ПТУ. [c.15] Анализируя влияние наклона пограничной кривой пара на технико-энергетические и экономические характеристики ПТУ, отметим, что лучшими с этой точки зрения являются ОРТ, подобные СР-34 (см. табл. 1.2), у которого в окрестности возможных значений температур конденсации прямого цикла пограничная кривая пара имеет незначительный отрицательный, а при верхних температурах цикла — положительный наклон. [c.15] Некоторое количество ОРТ имеет пограничную кривую пара близкую к изоэнтропе, например R-11, пар которого на выходе из турбины является незначительно перегретым из-за термодинамической необратимости процесса расширения. Абсолютное же большинство ОРТ имеет положительный наклон пограничной кривой пара во всем температурном диапазоне реализации прямого цикла. Для повышения термического КПД циклы на этих ОРТ должны быть регенеративными. Однако осуществление регенерации требует включения в технологическую схему ПТУ дополнительного элемента, что в некоторых случаях может привести к ухудшению технико-экономических характеристик установки. [c.15] Из табл. 1.2 видно, что большинство ОРТ характеризуется низкой температурой плавления. Это создает предпосылки к увеличению термического КПД ПТУ за счет расширения температурного диапазона реализации цикла вследствие снижения температуры конденсации, а также упрощает решение ряда эксплуатационных вопросов. [c.15] Важной эксплуатационно-технологической характеристикой ОРТ, а точнее — паротурбинных преобразователей на их основе, является хорошая совместимость с любыми источниками теплоты. [c.15] Она обусловлена характерным для этих преобразований сочетанием низких верхних температур цикла, не превосходящих 670 К, и высоких эффективных КПД, достигающих 30 %. Рассмотрим этот вопрос более подробно для солнечных, радиоизо-топных и ядерных источников теплоты. Для солнечного источника теплоты паротурбинные преобразователи с ОРТ благодаря высокому эффективному КПД обеспечивают небольшие размеры концентраторов, а низкие верхние температуры цикла существенно уменьшают требуемую точность ориентации (до 1. .. 2°), сокращая тем самым затраты мощности на привод системы ориентации концентратора. Кроме того, при низких температурах необходимую степень концентрации может обеспечить отражатель, имеющий форму отличную от параболоида, например, эллипсоид или сфероид [25]. Практически это означает, что при низких верхних температурах цикла сильно удешевляется производство концентраторов или появляется возможность изготовления концентраторов из отдельных элементов (плоских или одинарной кривизны). Последнее обстоятельство имеет большое значение в космической энергетике для создания крупных разворачивающихся концентраторов. [c.16] Данные [51 ] показывают, что ОРТ не активируются даже при использовании их в качестве теплоносителей реакторных контуров ядерных энергетических установок. В реакторе ORME, теплосъем в котором осуществляется органическим теплоносителем, уровень радиоактивного излучения трубопроводов реакторного контура составлял 0,09 мкР/с, что дает возможность при необходимости проводить ремонтные работы первого контура даже при функционирующем реакторе. [c.16] Радиационное разложение ОРТ, как и термическое, сопровождается образованием газообразных низкокипящих и высоко-кипящих веществ, причем на долю последних приходится более 90 % от всей массы продуктов разложения. Обобщение опытных данных по исследованию радиационной стойкости ОРТ [151 показало, что количество и состав продуктов радиолиза зависят от структуры исходного вещества, дозы облучения и температуры. В то же время состав высококипящих продуктов разложения, оказывающих основное влияние на изменение теплофизических свойств ОРТ, несущественно зависит от вида излучения. [c.16] Рассмотрим результаты экспериментального исследования радиационной стойкости жидкой ДФС в поле нейтронного и гамма-излучения реактора [3]. Доза облучения достигала 114 МДж/кг, при этом увеличение плотности не превышало 6 %. Температура плавления ДФС при увеличении поглощенной дозы облучения (до 10 МДж/кг) уменьшается на 11 К, а изменение удельной теплоемкости находится в пределах погрешности опытов, составлявшей 5 %. [c.16] Таким образом, приведенные данные подтверждают выводы о том [391, что при применении органических веществ в качестве рабочих тел второго энергетического контура ядерных энергетических установок, где они не подвержены непосредственному воздействию радиоактивного излучения ядерного горючего, проблема предотвращения радиационного разложения ОРТ полностью отпадает. [c.17] Вернуться к основной статье