введение

В Германии каждый год устанавливается примерно 800 тысяч новых отопительных систем в частных домах на одну семью. В течение 13 лет примерно 10 миллионов отопительных систем типа «микро-ТЭЦ» будут установлены в частных домах. Если в микро-ТЭЦ интегрировать компактную паровую турбину, то это позволит покрыть потребности жителей частных домов в электроэнергии. Такой подход позволит также снизить эмиссию углекислого газа, так как компактная паровая турбина будет утилизировать теплоту сетевой воды без сжигания дополнительного количества топлива.

Для 10 млн. отопительных систем с тепловой мощностью 20кВт и временем работы 2000 ч/год при электрической мощности компактной паровой турбины 2 кВт годовая суммарная электрическая энергия равна:

107*2000ч*2кВт=40 млрд.кВтч.

Суммарная годовая выработка электроэнергии в Германии по состоянию на 2007 год составляла 555 млрд. кВтч (источник: http://www.rwi-essen.de/pls/portal30/docs/FOLDER/PROJEKTE/CO2MONITORING/MONITORING_DATEIEN/SVFB_BDEW_08.PDF).

Угольная ТЭЦ мощностью 500 МВт производит за год примерно 8750ч*500МВт=4,38*109 кВтч электрической энергии. Это означает, что с применением компактной паровой турбины можно было бы сэкономить на выбросах углекислого газа от 9 угольных электростанций.

В данной работе вопросы воздействия на экономическую и энергетическую эффективность при применении компактной паровой турбины не рассматриваются. Главная инновация KDT состоит в том, что она была бы востребована на вследствие ее простоты при серийном производстве. КДТ представляет собой не только турбину, а интегрированную электростанцию.

По сравнению с первоначальным изобретением профессора Хеддриха (институт Дармштадта), в данной работе рассматриваются аспекты минимизации трения вращения во внешнем цилиндре, а также использования органического цикла Ренкина в системе «сопло Лаваля – сопловой аппарат – рабочее колесо – сопловой аппарат – конденсатор в форме диффузора»

Компактная паровая турбина (KDT) служит для преобразования потенциальной энергии рабочего тела в механическую энергию вращения ротора. В качестве рабочих тел в KDT применяются вещества, работающие по органическому циклу Ренкина (пентан, толуол, пропилбензол). Испарительная камера, проточная часть и конденсатор находятся в одном общем корпусе (цилиндре), и только потребитель энергии (генератор) находится за пределами установки, поэтому данный тип турбины получил название «компактная». Назначение KDT – получение тепло- и электроэнергии (в качестве установок на теплоэлектростанциях) при использовании геотермальной энергии Земли, энергии солнца, а также повышение КПД автомобиля при утилизации его выхлопных газов. Мощность установки будет варьироваться от 1 до 100 кВт. Основное преимущество KDT – это минимум вращающихся частей и как следствие простота конструкции. В испарителе генерируется пар низких параметров, так как турбина работает по органическому циклу Ренкина, поэтому это также повышает надежность всей установки. Нет необходимости применять дорогостоящие уплотнения, циркуляционные и питательные насосы, системы регулирования и клапана, как в стандартных турбинах. Нет необходимости в постоянном обслуживающем персонале. Применяемые материалы и сплавы в KDT являются общедоступными и стандартными, а это значит, что себестоимость KDT невелика и будет примерно равняться стоимости обычного автомобильного турбокомпрессора (менее 40000 руб.). Установка имеет большой интервал применения. Например, для утилизации выхлопных газов автомобиля в турбине используется пентан с температурой испарения 323-363 К и температурой конденсации равной температуре наружного воздуха (293К). Для использования геотермальной энергии используется пропилбензол с температурой испарения 573-603 К и с температурой конденсации либо равной наружной температуре воздуха 293К, либо равной температуре сетевой воды 363К (в зависимости от условий использования). Также размер KDT (порядка 30 см в диаметре и 30 см в высоту) позволяет без проблем внедрить ее на ТЭЦ, или под кузовом автомобиля.

Изначально установка проектировалась по схеме «испаритель — сопла Лаваля – конденсатор», но так как при такой схеме КПД всей турбины оказался недостаточно высок, то было принято решение применить другую схему для более полного срабатывания в турбине подводимой теплоты «испаритель – сопла Лаваля – первый направляющий аппарат – рабочее колесо – второй направляющий аппарат – диффузор – конденсатор». Однако схема «испаритель — сопла Лаваля – конденсатор» используется в работе при определении параметров, которые необходимы далее при расчете многоступенчатой схемы. Многоступенчатая схема позволила получить КПД установки порядка 10%. В данной работе рассматриваются в качестве рабочих тел: пентан с температурой испарения 900С и температурой конденсации 200С; пропилбензол с температурой испарения 3000С и температурой конденсации 900С (для применения на ТЭЦ).