Способ преобразования паровой энергии в механическую энергию

1 Область техники Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, к способам преобразования паровой энергии в механическую энергию применительно к паровой винтовой машине. Изобретение предназначено для малогабаритных мобильных теплоэлектростанций,преимущественно малой мощности - до 6 МВт. Известна тепловая электростанция со стационарным паровым котлом и турбогенератором (см. Соловьев Ю.П. "Проектирование теплоснабжающих установок для промпредприятий", М., 1968 г., с. 38). Используемый в ней способ преобразования энергии пара не позволяет работать ей на остром паре низкого давления, равного 5-20 атм. Кроме этого, электростанции подобного типа обладают большими габаритами и весом. Известен также способ преобразования энергии пара в механическую энергию, заключающийся в генерировании пара, подаче перегретого пара под давлением в паровую винтовую машину (ПВМ), расширении пара с преобразованием потенциальной энергии пара непосредственно в механическую энергию ( SU, патент СССР 1838632, 1993). Однако в известном способе перегретый пар имеет высокую температуру, которая вызывает большое термическое расширение деталей ПВМ. Неравномерность нагрева деталей вызывает заклинивание роторов машины. Раскрытие изобретения Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа преобразования паровой энергии в механическую энергию, обеспечивающего повышение надежности и долговечности узлов и деталей машины при одновременном увеличении е КПД. Технический результат заключается в возможности обеспечения регулирования температуры перегретого пара, поступающего в паровую винтовую машину, и уменьшения термического расширения узлов и деталей ПВМ в оптимальных пределах. Для достижения указанного выше технического результата в известном способе преобразования энергии пара в механическую энергию, заключающимся в генерировании перегретого пара, подаче перегретого пара под давлением в паровую винтовую машину, расширении пара с преобразованием потенциальной энергии пара непосредственно в механическую энергию,перед подачей перегретого пара в паровую винтовую машину в перегретый пар впрыскивают воду, расход "D" которой определяют из соотношенияD(i" - i')Qп/[C(tsto) + r],где i", i' - энтальпия пара соответственно в перегретом и в насыщенном состоянии, при условииtо - температура впрыскиваемой в пар воды перед впрыском; уменьшают температуру перегретого пара за счет испарения впрыскиваемой воды до температуры, при которой пар переходит во влажное состояние. Кроме этого, перед впрыскиванием порции воды снижают начальное чрезмерное давление перегретого пара путем пропускания его через гидравлическое сопротивление до величины давления, равной 5-20 атм. Кроме этого, после впрыскивания порции воды снижают чрезмерное давление влажного пара путем пропускания его через гидравлическое сопротивление до величины давления, равной 5-20 атм. Кроме этого, пар в паровую винтовую машину впрыскивают порциями. Кроме этого, образуемую в процессе расширения пара в паровой винтовой машине воду используют в качестве уплотнителя зазоров между трущимися деталями машины на пути утечек пара. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлены изотермы на i-s диаграмме, характеризующие изменения состояния пара при впрыске воды; на фиг. 2 представлены изобары на i-s диаграмме, характеризующие изменения состояния перегретого пара при пропускании его через гидравлическое сопротивление; на фиг. 3 представлены изобары на i-s диаграмме, характеризующие изменения состояния влажного пара при пропускании его через гидравлическое сопротивление. Лучший вариант осуществления изобретения Способ преобразования энергии пара в механическую энергию предназначен для применения в тепловых электростанциях малой мощности, преимущественно - до 6 МВт. Подобные электростанции имеют источник 1 острого пара низкого давления, равного 5-20 атм. В качестве источника 1 может быть использован паровой котел. Начальное и конечное состояние пара(фиг. 1) характеризуются точками 1 и 2, которые находятся соответственно в областях перегретого и влажного пара. Линия 3 соответствует состоянию насыщенного пара и разделяет области перегретого и влажного пара. Кривые,проходящие через точки 1, 2, являются изотермами, причем t1t2. На фиг. 2, 3 точки начального 1 и конечного 2 состояния пара находятся соответственно в области перегретого и влажного пара и лежат на разных изобарах, причем P1P2. Заявленный способ осуществляется следующим образом. Источник генерирует острый пар с давлением, не превышающим 20 атм, на 3 пример, P1=12 атм. Острый пар поступает через впускные окна в корпусе ПВМ, расположенные с одного торца роторов. После заполнения очередной винтовой канавки между зубами происходит отсечка пара, и при дальнейшем вращении роторов в канавке происходит объемное расширение порции пара с геометрической степенью расширения , например, равной =4. В момент окончания расширения давления пара в ПВМ геометрическая степень расширения составляет Рc=Р 1/=12/4=3 атм. При открытии выпускного канала ПВМ давление пара стравливается. Перед подачей перегретого пара в паровую винтовую машину в перегретый пар впрыскивают воду, расход "D" которой определяют из соотношенияD(i - i')Qп/[C(tsto) + r],гдe i", i' - энтальпия пара соответственно в перегретом и в насыщенном состоянии, при условииto - температура впрыскиваемой в пар воды перед впрыском. При впрыске воды (фиг. 1) в перегретый пар капли начинают интенсивно испаряться. При этом энтальпия пара уменьшается. Пар из состояния 1 переходит в состояние 4, соответствующее насыщенному пару. Температура пара при этом уменьшается с t1 до t2. Неиспарившиеся капли распределяются в объеме пара, и его состояние характеризуется точкой 2, соответствующее определенному количеству неиспарившейся воды в паре. Наличие воды в паре благоприятно сказывается на работе ПВМ, способствует повышению е КПД. Вода в данной конструкции ПВМ выполняет роль уплотнителя, поскольку заполняя зазоры между роторами и корпусом ПВМ, предотвращает утечки пара. Более низкая температура влажного пара по сравнению с перегретым не вызывает большого термического расширения деталей ПВМ и не приводит к заклиниванию роторов. При использовании заявленного способа следует учесть, что если начальное давление перегретого пара слишком велико, то понижение его температуры путем впрыска воды до состояния насыщения и далее до влажного состояния может не дать достаточного эффекта. В этом случае необходимо снизить давление перегретого (фиг. 2) или влажного (фиг. 3) пара до величины, определяемой из диапазона 5-20 атм. Это достигается путем пропускания перегретого перед впрыскиванием в него порции воды или влажного пара после впрыскивания в него порции воды через гидравлическое сопротивление. В этом случае давление пара уменьшается, его энтальпия остается неизменной, а энтропия уве 001492 4 личивается. Таким образом температура влажного пара уменьшается, а перегретого - остается неизменной. Проиллюстрируем данный способ на следующем примере. Имеется перегретый пар при Р"=1,5 МПа и температуре t"=250C. Расход пара составляетQп=3,6 т/ч=1 кг/с. В этот пар выпрыскивают воду с температурой tо=80C. Согласно существующим зависимостям для данных параметров параD = (698-667) ккал/кг 1 кг/с/1 ккал/кг град (197-80) град + 466 ккал/кг = 0,053 кг/с. Если увеличивать количество впрыскиваемой перегретой воды, то избыток воды нагреется до температуры - ts, однако испарения его не произойдет. Пар перейдет во влажное состояние. Промышленная применимость Изобретение соответствует условию охраноспособности "промышленная применимость",поскольку осуществимо с использованием существующих средств производства. Применение предложенной технологии преобразования энергии пара в механическую энергию в тепловых энергетических установках малой мощности, обладающей малым весом и габаритами, обеспечивает повышение КПД,эксплуатационной надежности и долговечности. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования энергии пара в механическую энергию, заключающийся в генерировании пара, подаче перегретого пара под давлением в паровую винтовую машину, расширении пара с преобразованием потенциальной энергии пара непосредственно в механическую энергию, отличающийся тем, что перед подачей перегретого пара в паровую винтовую машину в перегретый пар впрыскивают воду,расход "D" которой определяют из соотношенияD(i"i')Qп/[C(tsto) + r],гдe i", i' - энтальпия пара соответственно в перегретом и в насыщенном состоянии, при условииtо - температура впрыскиваемой в пар воды перед впрыском; уменьшают температуру перегретого пара за счет испарения впрыскиваемой воды до температуры, при которой пар переходит во влажное состояние. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед впрыскиванием порции воды снижают начальное чрезмерное давление перегретого пара путем пропускания его через гидравлическое сопротивление до величины давления 5-20 атм. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после впрыскивания порций воды снижают чрезмерное давление влажного пара путем пропускания его через гидравлическое сопротивление до величины давления 5-20 атм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар в паровую винтовую машину впрыскивают порциями. 6 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что образуемую в процессе расширения пара в паровой винтовой машине воду используют в качестве уплотнителя зазоров между трущимися деталями машины на пути утечек пара.