4.3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОПАРОВЫХ ТУРБИН
В простейших термодинамических моделях парожидкостный поток наделяют свойствами гомогенной среды. Выяснение свойств гомогенного квазиравновесного потока необходимо для оценки реальных неравновесных течений. Система уравнений одномерного потока носит общий характер и никак не ограничена абсолютным значением сухости пара.
Между тем, существует качественное различие между расширением гомогенного потока от нижней и от верхней пограничных кривых. При изоэнтропийном расширении двухфазного потока от кривой х = 1 происходит испарение жидкости, в то время как аналогичное расширение потока от кривой х = 0 приводит к увлажнению пара. В результате степень сухости пара в первом случае возрастает, а во втором — снижается.
Еще более существенные изменения основных закономерностей течения возникают в реальных неравновесных потоках. Поэтому при анализе двухфазных сред различают сравнительно хорошо изученную область маловлажного пара и область высоковлажного пара. Попытаемся расширить наши представления о последней еще сравнительно мало изученной области течения потоков.
Исследование особенностей истечения вскипающего потока в прозрачной модели сопла Лаваля подтвердило наличие метастабильного ядра. Четко выраженное расслоение потока на парожидкостный пристенный слой и сплошную струю перегретой жидкости в его центральной части не позволяет полноценно использовать располагаемую тепловую энергию [27].
При испытании экспериментального стенда нами зафиксировано снижение внутреннего относительного КПД ηо.е гидропаровой турбины с ростом полезного температурного напора. Как отмечалось, это явление связано с двумя причинами: во-первых, с увеличением скорости течения двухфазного потока жидкость не успевает полностью вскипеть в расширяющейся части сопл Лаваля и, во-вторых, потери в реактивной турбине вызваны ударом парожидкостной струи, выходящей из одного сопла, о корпус другого.
Подбирая геометрические размеры сопл Лаваля, нам удалось при малых скоростях течения достичь значения внутреннего КПД ηо.е = 38—42 %. Попытка снизить влияние метастабильности путем уменьшения диаметра сопл Лаваля не привела к желаемым результатам. В этом случае сопротивление гидропаровой турбины течению потока возрастает настолько, что циркуляция прекращается.
Мощность испытанной нами гидропаровой турбины составляет N = 3 кВт. Тот же уровень значения внутреннего КПД, но при более высоких температурных напорах, получен при эксплуатации активной гидропаровой турбины мощностью до N = 70 кВт.
Сопловой аппарат активной турбины был выполнен в виде блоков сопл, каналы которых имеют форму двух усеченных пирамид, соединенных участком постоянного сечения прямоугольной формы. Причем сопловой аппарат снабжен парогенерирующими решетками [77, 78].
Намеченное усовершенствование конструкции гидропаровой турбины позволит поднять ее внутренний КПД еще примерно на 20 % [71].
Далее должны быть применены технологические приемы повышения внутреннего КПД. В частности, использование на ОЭС растворимых полимеров приведет как к уменьшению турбулентности, так и к снижению метастабильности воды. Дело в том, что длинные молекулы полимеров являются инородным телом в воде и потому их поверхность служит активатором процесса образования паровых пузырьков.
Применение акустических излучателей с частотой в несколько сотен килогерц обеспечивает полный распад центральной струи перегретой жидкости. Последнее обстоятельство позволяет осуществить в единой конструкции разгонного соплового устройства комбинацию треугольного процесса вскипания воды с круговым процессом компримирования двухфазного потока, имеющим также треугольную форму [79, 80].
Простейшая схема комбинированного сопла представлена на рис. 25, а на рис. 26 — его идеальный термодинамический цикл в координатах T-S.
Нагретая жидкость (активный агент) поступает с температурой Т1 в сопло 1 типа сопла Лаваля, где вскипает в изоэнтропийном процессе cd. Охлаждающая жидкость (пассивный агент) с температурой Тe поступает в камеру 2 и ускоряется в ее сужающейся части.
Рис. 25. Схема комбинированного сопла
Рис. 26. Термодинамический цикл комбинированного сопла в системе координат T—S
В камере 3 происходят смешение потоков и конденсация основной части паровой фазы. В цилиндрическом канале 4 заканчивается конденсация пара. Выходное сечение Z канала 4 размещено так, что струя 5 под нужным углом попадает на лопатки 6 турбины 7. В этом случае в качестве двигателя используют ковшовые турбины [81].
При устойчивой работе комбинированного сопла в сечении К после камеры смешения 3 образуется капельно-паровая смесь с температурой Т3. Для того чтобы процесс в аппарате был термодинамически обратимым, охлаждение активного агента в камере смешения следовало бы осуществлять по линии de, отвечающей процессу нагрева пассивного агента. Площадь efabcde соответствует располагаемой энергии, которая может использоваться для увеличения конечного напора образовавшейся смеси (здесь энергией, затрачиваемой питающими насосами на процессы ab и ef, мы пренебрегаем).
Для реализации описанного процесса в камере смешения между сечениями d и к давление должно нарастать от уровня Р2, соответствующего насыщению при температуре Т2, до уровня, соответствующего температуре Т3. Тогда активный агент должен был бы расширяться в сопле 1 до минимального давления в камере смешения, отвечающего температуре Т2.
В реальных условиях давление в камере смешения остается практически неизменным. Активный агент расширяется по изоэнтропе cd от давления Р1 до давления Р3, соответствующего температуре насыщения Т3. Процессу охлаждения активного агента в камере смешения будет соответствовать изобара (изотерма) da. Располагаемая работа сократится на величину fadef. Соответственно увеличится количество тепла, сообщаемое пассивному агенту. При неизменной температуре Т3 возрастает масса пассивного агента. В обобщенной диаграмме нагреву увеличенного количества охлаждающей жидкости соответствует линия Тк. Приращение энтропии характеризует в данном случае необратимость, связанную с действительными температурными перепадами между смешиваемыми агентами.
Суть конструкторских усовершенствований разгонного сопла должна сводиться к тому, чтобы приблизить величину площади abcda, отражающей кинетическую энергию вскипающего парожидкостного потока в сечении d, к значению площади efkze, эквивалентной кинетической энергии высокоскоростного капельножидкого потока в сечении Z.
Анализ опытных данных по испытанию отдельных элементов комбинированного сопла показал удовлетворительное согласие с теорией его расчета [27].
Для нас рассматриваемый обобщенный процесс интересен еще и тем, что позволяет составить аналогичную методику расчета природного термокомпрессора, где потоки влажного воздуха, попадая в горные хребты, преобразуют свою кинетическую энергию в потенциальную.
Хотелось бы напомнить, что в разгонном сопле основным видом потерь являются потери от метастабильности. Для увеличения эффективности сопла 1 в нем может быть установлена парогенерирующая решетка, одновременно выполняющая роль акустического излучателя.
Применение разработанного сопла даст возможность повысить значения внутреннего КПД турбины, по-видимому, до уровня 0,7 < ηо.е < 0,75.
С учетом этого обстоятельства ожидаемый экономический КПД ОЭС должен находиться в пределах 1,5 < ηэк < 1,7 %.
Объем рабочего тела в конце расширения является существенной характеристикой турбин. Вакуумный водяной пар примерно в 3 раза увеличивает габариты гидропаровой турбины в сравнении с используемой в настоящее время на ТЭС паровой турбиной равной мощности. Но если сравнивать затраты металла на единицу вырабатываемой энергии, то следует учитывать и его расход на вспомогательное оборудование. Океаническая станция имеет дегазатор, насос для удаления воды, вакуумный насос и трубопроводы. Вспомогательное оборудование ТЭС включает механизмы для подготовки угля, дробилки, сушилки, котлоагрегаты, рекуператоры, конденсаторы, системы очистки газов и удаления шлака, трубопроводы. Отсюда удельный расход металла на сооружение ТЭС в десятки раз превышает таковой для океанической станции. Кроме того, добыча и перевозка угля также требуют расхода металла.
Шахты, железные дороги, электростанции и их отвалы занимают значительную территорию земли, ее можно было бы использовать для сельскохозяйственных целей. Сгорание топлива на станциях сопровождается выбросом в атмосферу токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ. Океанические станции не страдают перечисленными выше недостатками.
На первый взгляд кажется, что станция с КПД < 2 % нерентабельна. Но здесь необходимо отметить, что принятый промышленностью энергетический цикл, использующий в конечном счете энергию Солнца, имеет еще меньший КПД. Так, известно, что первое звено этого цикла — фотосинтезирующие растения — усваивают лишь 1—3 % падающего солнечного света. Аккумулированная ими энергия сосредоточена в месторождении угля и, возможно, нефти и газа. Следующее звено — тепловые двигатели, использующие эти виды топлив с КПД примерно 30 %. В итоге суммарный КПД цикла составляет η = 0,02 х 0,3 = 0,006, то есть менее 1 %.
К тому же определяющим фактором при сравнении экономичности ТЭС и ОЭС является стоимость исходного топлива. С учетом данного фактора “чаша весов” явно склоняется в сторону преимуществ ОЭС.
Нам осталось откорректировать результаты предварительных расчетов величины эксплуатируемой зоны океана. Найденные значения ηэк дают нам возможность втрое сократить район действия ОЭС.
Здесь следует заметить, что термохалинная циркуляция, скорее всего за считанные месяцы, восстановит охлажденный ОЭС поверхностный слой. Поэтому вряд ли придется отправлять ОЭС в длительные странствия.
