теплоэлектростанция кашеварова "тэск" с роторным двигателем "рдк-19"

Формула изобретения

1. Теплоэлектростанция, содержащая электрогенераторы с двигателями, работающими за счет сжигания каменного угля, и систему управления работой всех агрегатов и устройств теплоэлектростанции, отличающаяся тем, что снабжена кислородной станцией, вырабатывающей кислород из воздуха путем его охлаждения и поставляющей его в двигатели, теплообменники и транспортным средством поставки топлива в виде трубопровода, соединяющего теплоэлектростанцию с предприятием, добывающим уголь и приготовляющим водно-угольную эмульсию, при этом каждый двигатель электрогенератора выполнен роторным с возможностью работы на водно-угольной эмульсии с кислородным дутьем, камера сгорания каждого роторного двигателя соединена патрубком с трубопроводом кислородной станции и патрубком - с первым теплообменником, установленным с возможностью использования тепловой энергии выхлопного парогаза роторного двигателя для перегрева водно-угольной эмульсии до температуры, близкой к критической перехода воды в пар, и при давлении, создаваемым водяным насосом и превышающем критическое давление перехода воды в пар, первый теплообменник соединен со вторым теплообменником, который установлен с возможностью разделения выхлопного парогаза на воду, углекислый газ и золу, и соединен одним патрубком с теплотрассой, расположенной с возможностью использования горячей воды от конденсации пара во втором теплообменнике, другим патрубком - с компрессором, установленным с возможностью сжатия углекислого газа и поставки его потребителю, а третьим патрубком - с потребителем с возможностью отвода водной эмульсии и золы.

2. Теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что каждый роторный двигатель имеет статор, ротор, камеры расширения и выхлопных газов, камеру сгорания, патрубки подачи топлива, причем в статоре установлена дверца с возможностью перекрытия окна в камеру сгорания, скольжения своей пластинчатой пружиной по цилиндрической поверхности ротора и отделения камеры расширения от камеры выхлопных газов, на концах оси вращения дверцы установлено по одному рычагу с возможностью скольжения каждого своим роликом по цилиндрической поверхности шаблона, закрепленного на валу вращения ротора в герметичной картерной коробке, установленной на торцевой стенке статора и частично заполненной машинным маслом до заданного уровня, на статоре установлена камера сгорания с теплоинерционным воспламенителем в ее средней части с форсунками впрыска в камеру сгорания дизельного топлива на воспламенитель и с клапанами ввода водно-угольной эмульсии и сжатого кислорода, при этом патрубок с кислородом установлен коаксиально в патрубке с водно-угольной эмульсией, ротор имеет пластинчатую пружину, скользящую по цилиндрической поверхности статора, и ребра жесткости с подпружиненными вкладышами, скользящими по торцевой поверхности статора, аналогичные по устройству и назначению ребра жесткости имеет и дверца, статор имеет окна в камеру сгорания и в выхлопную трубу и бачок с машинным маслом, установленный на наружной цилиндрической поверхности статора, с отверстием во внутреннюю часть статора, имеющую температуру, допустимую для использования масла как смазки поверхности статора для скольжения пружины ротора, камера сгорания, дверца, статор и ротор имеют жаростойкую теплоизоляцию поверхностей, соприкасающихся с раскаленным парогазом, каждый двигатель имеет две или более секций с общим валом вращения роторов в статорах, отделенных друг от друга картерными коробками с шаблонами, установленными на общем валу вращения, являющимся рабочим валом двигателя, при этом роторы в смежных секциях установлены своими наибольшими радиусами под углом друг к другу, равным 360^o, деленным на число секций.

3. Теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что первый теплообменник выполнен в виде выхлопной трубы роторного двигателя, в которой установлены с помощью радиаторных пластин трубочки, соединенные одним концом с водяным насосом с возможностью накачивания в них водно-угольной эмульсии, а другим концом - с патрубком с возможностью ввода через этот патрубок в камеру сгорания перегретой в теплообменнике суспензии.

4. Теплоэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что второй теплообменник соединен выхлопной трубой с первым теплообменником с возможностью поступления выхлопного парогаза, прошедшего первый теплообменник, попеременно в одну из двух камер второго теплообменника через окно в выхлопной трубе, перекрываемое дверцей, установленной на перегородке между камерами, при этом упомянутые камеры второго теплообменника соединены щелевидными отверстиями с его полостью, заполненной водой до уровня труб, соединяющих второй теплообменник с теплотрассой, верхняя часть второго теплообменника соединена патрубком с компрессором, а нижняя часть этого теплообменника образует отстойник с клапаном для спуска отстоя в виде водной суспензии золы, каждая из двух труб, соединяющих второй теплообменник с теплотрассой, установлена на краю теплообменника и имеет клапан, установленный с возможностью открытия в момент перекрытия дверцей окна выхлопной трубы, соединяющей ее с камерой на той стороне теплообменника, на которой установлена труба с открывающимся клапаном, через отстойник, а затем через камеры с водой и далее через камеры, в которые поступает парогаз, проходят трубы теплотрассы с холодной водой на входе в теплообменник и с горючей водой на выходе из него.

Описание изобретения к патенту

Тепловая электростанция относится к предприятиям для производства электроэнергии с помощью теплового двигателя, в качестве которого применен роторный двигатель Кашеварова РДК-19.

Аналогом и прототипом тепловой электростанции ТЭСК с РДК-19 является ТЭС, работающая на каменном угле, доставляемом ж.-д. транспортом, с потреблением воды для обеспечения работы парокотельного агрегата и паровой турбины, являющихся двигателем электрогенераторов ТЭС (БСЭ, второе изд., т.42, с. 250-258.). Такая ТЭС работает в базовом режиме, а не в режиме потребления электроэнергии, имеет малый КПД, большую стоимость кВтч электроэнергии, большое загрязнение атмосферы при транспортировке угля угольной пылью и выбросами ядовитых газов и золы при его сжигании в парокотельном агрегате, большой срок окупаемости капитальных затрат, большой срок строительства, большое потребление угля и воды на каждый кВтч выработанной электроэнергии.

ТЭСК с РДК-19 не имеет этих недостатков за счет РДК-19, работающего на водной суспензии угольной пыли, поставляемой на ТЭСК с помощью трубопровода, и на кислороде, вырабатываемом из воздуха с помощью регенераторов с затратой 0,5 кВтч на 1 м³ кислорода (БСЭ, второе изд., т.21, с.147).

РДК-19 является главным устройством ТЭСК, определяющим эффективность ее работы.

У РДК-19 как ДВС, работающим на угле, нет прототипа. В качестве ближайшего аналога, не работающего на угле роторного ДВС, может быть принят роторный двигатель по патенту Великобритании N 1574549, кл. P 02 B 53/00 1980 г, который имеет малый КПД и малую удельную мощность, обусловленные большим трением заслонки о ротор и ротора о статор, а также большую утечку газов в зазоры между ротором и статором и между заслонкой и ротором, и большие тепловые потери.

РДК-19 не имеет этих недостатков благодаря наличию пластинчатых пружин, перекрывающих зазоры между дверцей (выполняющей роль заслонки) и ротором и между ротором и статором, а также благодаря наличию механизма движения дверцы, воспринимающего на себя давление газов, оказываемое на дверцу и определяющего величину зазора между дверцей и ротором. Кроме того, РДК-19 имеет существенно больший объем (литраж) камеры расширения, чем роторный двигатель по патенту N 1574549 и теплоизолирующие покрытия, уменьшающие тепловые потери РДК-19 и создающие преимущества керамического ДВС без его недостатков.

Кроме того, РДК-19 имеет устройства позволяющие ему работать на топливе в виде суспензии угольной пыли в воде, которая разогревается за счет утилизации тепла выхлопных газов до температуры, близкой к критической температуре 250-300^oC перехода воды в пар, при давлении, более чем критическое, т. е. более 230 кг/см², создаваемом водяным насосом, подающим суспензию в трубочки, установленные в выхлопной трубе, как в теплообменнике. Такая водно-угольная суспензия подается в камеру сгорания РДК-19 через патрубок, в котором коаксиально установлен патрубок, соединенный с баллоном кислорода, обеспечивающего полное сгорание угольной пыли.

Водно-угольная эмульсия подается в ТЭСК с помощью трубопровода от угледобывающих предприятий, на которых одновременно производится приготовление такой эмульсии по технологии, например, разработанной к.т.н. Р.БЫЧКОВЫМ, опубликованной на стр.9 в журнале "Изобретатель и рационализатор" N 1 за 97 г. использование в РДК-19 водно-угольной эмульсии и кислорода вместо жидкого или газообразного топлива и воздуха является новым и весьма актуальным шагом в уровне техники по использованию каменного угля для работы ДВС с КПД, превышающим в 2-3 раза и с удельной мощностью превышающей в десятки раз все известные двигатели, работающие на каменноугольном топливе.

Использование угля в виде водно-угольной эмульсии позволяет автоматизировать его подачу в РДК-19 из углепровода, а также сделать более дешевой и экологичной доставку угля по углепроводу на ТЭСК.

Использование кислорода в смеси с паром в пропорции, в 3-4 раза большей, чем смесь кислорода с азотом в воздухе, позволяет в несколько раз уменьшить затраты механической энергии на работу компрессора, до 1,5 раза увеличить температуру горения и рабочее давление парогаза, поступающего в камеру расширения РДК-19, а также полностью исключить из выхлопных газов ядовитые окислы азота. Увеличение мощности и КПД двигателя за счет в 1,5 раза большего давления парогаза, а также уменьшение затрат энергии на работу компрессора позволят полностью компенсировать затрату энергии на получение кислорода. Кроме того, использование РДК-19 как двигателя для процесса получения кислорода с КПД, в 2 раза большим, чем у применяющихся двигателей для кислородных установок, позволяют уменьшить затраты энергии до 0,4 кВтч на получение 1,5 кг кислорода.

Использование кислорода для работы ТЭС является новым прогрессивным шагом в уровне развития электростанций, позволяющим исключить выброс в атмосферу азотных окислов, порождающих кислотные дожди, пагубные для природы и человека, и существенно повысить КПД и производительность ТЭС.

Получение пара за счет водной эмульсии угольной пыли не только исключает ТЭС из потребителей воды, но даже делает ее производителем воды из отработанного парогаза.

Замена на ТЭСК парового котла с паровой турбиной на РДК-19 позволяет за счет в 2 раза большего КПД РДК-19, чем у парового котла с паровой турбиной, увеличить в 2 раза выработку электроэнергии, а за счет малой затраты времени и топлива на пуск РДК-19 вырабатывать электроэнергию в режиме ее потребления, а не в базовом режиме работы современных ТЭС, требующих еще и работы гидроаккумулирующих электростанций, потребляющих до 35% перерабатываемой ими электроэнергии для согласования базового режима производства электроэнергии на ТЭС с режимом ее потребления.

Кроме того, капитальные затраты на строительство ТЭС с РДК-19 сократятся не менее чем в 8 раза за счет меньшей в несколько раз стоимости РДК-19 вместе с кислородной установкой, чем паровой котел с паровой турбиной, градирней, водоемом и ГАЭС современной ТЭС равной мощности по производству электроэнергии.

Актуальность замены жидкого и газообразного топлива в двигателях на каменный уголь определяется тем, что в XXI веке будут полностью израсходованы природные залежи нефти и газа и в качестве углеводородного топлива будет использоваться преимущественно каменный уголь, природные залежи которого во много раз превосходят залежи нефти и газа.

Актуальность перевода ТЭС на уголь с помощью РДК-19 определяется еще и тем, что энергетика является капиталоемким и инерционным видом производства электроэнергии и ее состояние в середине XXI века должно формироваться уже в настоящее время.

Устройство РДК-19 поясняется чертежами, где: на фиг. 1 дано поперечное сечение РДК-19 по А-А на фиг. 2, на фиг. 2 - сечение по Б-Б на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение по В-В на фиг. 2, на фиг. 4 сечения по Г-Г, Д-Д и Е-Е на фиг. 3, на фиг. 5 - сечения по А-А на фиг. 2 с ротором, повернутым на 100^o относительно ротора на фиг. 1 и сечение по Ж-Ж на фиг. 5 первого теплообменника, на фиг. 6 - поперечное вертикальное сечение второго теплообменника.

РДК-19 имеет статор 1, ротор 2 с валом 3, ось вращения которого совпадает с геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора 1. Вал 3 соединен с втулкой 4 ротора 2. Ротор 2 имеет рабочую цилиндрическую поверхность от пластинчатой пружины 5 до уступа 6, по которой скользит пружина 7 дверцы 8, установленной на оси вращения 9. Цилиндрические поверхности статора 1, ротора 2 и дверцы 8 образуют камеру расширения 10 в момент прохода пружиной 5 ротора 2 пружины 7 дверцы 8 до момента подхода пружины 5 ротора к окну 11 выхлопной трубы 12, являющейся корпусом первого теплообменника. В период вращения ротора 2 между этими моментами времени дверца 8 открывает окно 13 из камеры сгорания в камеру расширения 10, которая с этого момента будет увеличиваться в объеме в результате вращения ротора 2 до прохода его пружины 5 окна 11 выхлопной трубы 12 (на фиг. 5 камера 10 показана пунктирной линией). В момент прохода пружины 5 окна 11 камера расширения 10 преобразуется в камеру выхлопных газов 15, которые из камеры 15 будут выходить одновременно с двух сторон ротора 2 в окно 11, т. к в этот момент возникнет окно между пружиной 7 дверцы 8 и уступом 6.

Камера сгорания 14 образована сфероидальными стенками 16 с теплоинерционным воспламенителем 17, в полом жаростойком корпусе которого установлен электронагревательный диск 18. Теплоинерционный воспламенитель имеет устройство, аналогичное устройству нагревательного круга электроплиты. Он установлен на кронштейнах 19 в средней части камеры сгорания 14 с электропроводом нагревательного диска 18, подведенным, к нему в керамической изоляции 20. В камере 14 по обе стороны от воспламенителя 17 установлены форсунки 21 для дизельного топлива, которые направлены на воспламенитель и предназначены для воспламенения топливной смеси из водяного пара, кислорода и угольной пыли, заполняющей камеру 14 перед включением в работу форсунок 21. Воспламенение дизельного топлива происходит в результате попадания микрокапель его струи, выпущенной из форсунки 21, на воспламенитель 17. При этом количество дизельного топлива, используемого для воспламенения угольной пыли, составляет не более 3% от количества угольной пыли. Угольная пыль вводится в камеру 14 в виде водной суспензии под давлением, превосходящим критическое давление (230 кг/см²) по переходу воды в пар, и с температурой, близкой к критической температуре 250^o-800^o этого перехода. Ввод водной суспензии угольной пыли в камеру 14 производится через патрубок 22, в котором коаксиально установлен патрубок 23 с кислородом под давлением 10-15 кг/см². Между концом патрубка 28 и патрубком 22 образовано кольцевое сопловое отверстие, через которое с большой скоростью проходит струя угольной суспензии, эжекторным воздействием увлекая за собой кислород из патрубка 23. Капельки угольной эмульсии, попадая в камеру 14 с давлением менее 20 кг/см², взрываются, превращаясь в пар, с равномерно взвешенными в нем частицами угольной пыли и насыщенный кислородом, захваченным из патрубка 23, в количестве, в 3-4 раза большем, чем кислорода по отношению к азоту в атмосферном воздухе.

Патрубки 22 установлены равномерно по всей средней линии левой стенки камеры 14 и направлены вверх по этой стенке, создавая вращение парогаза в камере 14 с целью получения однородной по концентрации смеси из водяного пара, кислорода и угольной пыли с повышенной температурой от контакта с раскаленным слоем теплоизолирующего покрытия 24 стенок камеры 14, охлаждаемого этим парогазом.

Теплоизолирующее покрытие 24, изображенное крестообразной штриховкой, имеют также все стенки ротора, статора и дверцы, соприкасающиеся с парогазом в камере расширения 10. Теплоизолирующее жаростойкое покрытие 24 защищает металл стенок камер 14 и 10 от воздействия высоких температур и предотвращает тепловые потери двигателя с той же степенью эффективности, с какой выполняют эту функцию стенки камер керамического ДВС, т.к. это покрытие может быть выполнено из материала со столь же малой теплопроводностью и теплоемкостью. Примером использования теплоизолирующих жаростойких материалов может быть теплоизоляция космического корабля "БУРАН", выдерживающая температуру до 3000^oC.

Патрубки 22 и 28 имеют цилиндрические клапаны 25 и 26, соединяющие патрубки 22 и 28 в момент времени, когда пружина 5 ротора 2 коснется оси 9 дверцы 8, а дверца 8 перекроет окно 18. Во время перекрытия дверцей 8 окна 18 патрубки 22 и 28 наполняют камеру 14 паром с угольной пылью и кислородом до давления в 20-25 кг/см², а затем при проходе пружины 5 ротора 2 пружины 7 дверцы 8 клапаны 25 и 26 перекрывают патрубки 22 и 28. Одновременно срабатывают форсунки 21, воспламеняющие угольную пыль в камере 14.

Дверца 8 через ось 9 вращается механизмом 27, установленным в картерной коробке 28. У каждой дверцы 8 свой механизм 27, рычаги 29 которого установлены на концах оси 9 каждой дверцы 8. На валу 8 в картерных коробках 28 установлены шаблоны 80 механизмов 27. Каждый шаблон 80 имеет диск 81 с ободом 82, по цилиндрической поверхности которого скользит ролик 88 рычага 29, прижимаемый к ободу 82 давлением парогаза на дверцу 8, передаваемым через ось 9 на рычаги 29, установленные на концах этой оси 9. Для увеличения прочностных характеристик рычага 29 и для установления оси вращения ролика 33 с боковыми поверхностями рычага 29 соединены (например, сварены) пластины 34, образующие коробку, в которую периодически заходит выступ шаблона 30 во время его вращения, вызывающего перекрытие дверцей 8 окна 13.

Через отверстие в верхней части коробки 28, перекрытое пробкой 35, герметизирующей коробку 28, залито машинное масло 36 до уровня, обеспечивающего смазку цилиндрических поверхностей ободов 32 разбрызгиванием масла при вращении шаблона 30.

Две оси 9 дверцы 8 и рычагов 28 вращаются вместе с дверцей 8 и рычагами 29 независимо друг от друга в подшипниках 37, установленных в торцевых стенках статоров 1. Вал 3 вращается в подшипниках 38, установленных в торцевых стенках камеры 28.

Дверца 8 и ротор 2 имеют по краям торцевые ребра жесткости 39, увеличивающие прочность ротора и дверцы и уменьшающие утечку газов между их поверхностями и торцевыми поверхностями статора. В ребре 39 имеется паз 40, в котором помещены пластинчатая пружина 41 и вкладыш 42, прижимаемый этой пружиной к торцевой стенке 43 статора и препятствующий утечке газов между поверхностями стенки 43 статора 1 и вкладыша 42.

Выхлопная труба 12 является одновременно теплообменником, в котором выхлопные газы отдают свою тепловую энергию водно-угольной эмульсии, поступающей в трубочки 44 с радиаторными ребрами 45, установленными в выхлопной трубе 12, являющейся первым теплообменником. Трубочки 44 входят в выходной конец трубы 12 и выходят из нее у окна 11 в виде подсоединенных к ним патрубков 22. Движение водно-угольной эмульсии в трубочках 44 происходит в направлении, противоположном движению выхлопного парогаза. Выхлопная труба 12 имеет наружную теплоизоляцию, т.к. отработанный парогаз, входящий в трубу 12, имеет температуру менее 400^o и теплоемкость металла трубы 12 не влияет на КПД двигателя, а наружное покрытие трубы 12 может быть менее жаростойким теплоизолирующим слоем 46 более дешевым и долговечным, чем теплоизолирующий слой 24.

РДК-19 может иметь по 2, 3 и более секций, обозначенных на фиг. 2 римскими цифрами. При этом роторы 2 в смежных секциях ориентированы под углом друг к другу, равным 360^o, деленным на число секций в РДК-19.

На статоре 1 каждой секции установлен бачок 47 с машинным маслом. Бачок 47 имеет трубочку 48, соединяющую камеру 10 с воздухом над уровнем масла в бачке, отверстия 49 в камеру 10, расположенные за трубочкой 48 по ходу вращения ротора 2, и пробку 50, перекрывающую отверстия для заливки масла и герметизирующую бачок 47.

Из выхлопной трубы 12, как первого теплообменника, парогаз, отдавший большую часть своего тепла на нагрев водно-угольной эмульсии до 250^o-800^o в трубочках 44, поступает во второй теплообменник 51 (фиг. 6) по нагреву воды для теплотрассы и отделения от нее углекислого газа и золы. Во второй теплообменник 51 парогаз поступает от первого теплообменника трубы 12 через окно 52, которое дверца 53 попеременно соединяет с одной из двух камер 54. В нижней части камеры 54 имеются щелевидные отверстия 55 для выхода из них в теплообменник 51 парогаза, поступающего из трубы 12 при открытом окне 52. При закрытом окне 52 через отверстия 55 в камеру 54 проходит вода из теплообменника 51, заполняя его до уровня оси 56 поворота дверцы 53. В этот момент двигатель поворачивает дверцу 53 через ее ось 57 так, что дверца 58 открывает окно 52 в камеру 54, заполненную водой и перекрывает окно в камеру 54, заполненную парогазом из трубы 12. Под давлением парогаза вода из камеры 54 через щелевые отверстия 55 устремляется в верхнюю часть теплообменника, вымывая с собой частицы золы, которые остались в камере 54 при конденсации пара в воду. Одновременно парогаз, поступающий в камеру 54, будет охлаждаться водой, находящейся в камере 54 и в верхней части теплообменника 51. Для усиления этого процесса металлические стенки камеры 5-4 имеют внутренние и внешние вертикальные пластины 58, увеличивающие поверхность теплообмена горячего парогаза и воды. При этом часть пара охлаждается и превращается в воду, сообщая ей свою скрытую теплоту парообразования, а оставшаяся часть парогаза, обогащенная углекислым газом, будет проходить пузырьками через щелевидные отверстия 55 в воду камеры 59 и заполнять пространство углекислым газом над ее поверхностью. Углекислый газ компрессором 60 из камеры 59 будет перекачиваться в патрубок 61 для его использования в соответствующих устройствах ТЭСК, например, для получения сухого льда на кислородной станции.

Вода, поступившая из камеры 54, например, в левую камеру 59 с взвешенными в ней частицами золы, будет перетекать в правую камеру 59 через камеру 62 отстойника, в котором частицы золы будут осаждаться у клапана 63 с патрубком 64. Из правой камеры 59 верхний слой воды уже без частиц золы сливается через открытый клапан 65 и патрубок 66 в теплотрассу. При этом левый клапан 65 закрыт. Во время поступления воды из правой камеры 54 вода сливается через открытый клапан 65 левой трубы 66. В воду, выходящую через трубы 66, добавляют щелочной нейтрализатор ее кислотности. Через отстойник 62, а затем через камеры 59 и далее через камеры 54 проходит труба 67 теплотрассы с поступающей в нее холодной водой и выходящей из нее уже горячей.

В результате такого устройства ТЭС с РДК-19 не имеет дымовой трубы, не отравляет атмосферу вредными выбросами и не потребляет воду, а производит ее из отработанного парогаза. Таким образом с с помощью РДК-19 может быть устроена ТЭС, работающая на каменном угле и реализующая экологически чистый способ получения электроэнергии, что является существенным преимуществом перед известными ТЭС.

Работа ТЭСК с РДК-19.

ТЭСК работает в режиме потребляемой электроэнергии. Ее максимальная мощность расчитана на потребление электроэнергии в часы "пик". В это время работают все РДК-19 с электрогенераторами станции. В остальное время работает только часть РДК-19, необходимая для обеспечения требуемой мощности выработки электроэнергии. Трубопровод, поставляющий водно-угольную эмульсию, работает с постоянной пропускной способностью , обеспечивающей среднесуточное потребление эмульсии предусмотренное объемом бассейна-накопителя водно-угольной эмульсии и из которого эмульсия подается в трубочки 44 первого теплообменника ТЭСК.

Пуск РДК-19 производят включением в электросеть теплоинерционного воспламенителя на 1-1,5 минуты, необходимых для его разогрева до температуры воспламенения дизельного топлива. Включают стартер-электродвигатель на 0,5-1 минуту, в течение которой РДК-19 выходит на режимную работу с включением через муфту сцепления электрогенератора. Пуск РДК-19 производится автоматически системой управления при нажатии кнопки "пуск" на щите управления работы ТЭСК. Включение трубы 67 теплотрассы производится через 4-5 минут после начала работы РДК-19. На этом заканчивается пусковой период РДК-19 за 5-6 мин, с учетом начала работы теплотрассы. Подача электроэнергии в сеть может производится уже через 2-3 минуты после нажатия кнопки "пуск"

Для ориентировочного расчета эффективности работы РДК-19, использующего угольную пыль с водой и кислород, примем, что в его камеру сгорания 14 поступает за один оборот ротора 0,1 кг угля, 0,1 кг водяного пара и 0,3 кг кислорода при температуре 200^o, а в качестве воспламенителя - 0,002 кг дизельного топлива, впрыскиваемого через две форсунки 21 на воспламенитель 17, имеющий температуру более 600^o, при давлении пара с кислородом в 20 ати. Для полного сгорания углерода потребуется C + O₂ = CO₂ 12 г+32 г = 44 г или на 0,1 кг углерода (32 г: 12г)0,1кг= 0,267 кг кислорода. Принимая избыток кислорода, равный 10%, получим 0,293 кг кислорода, а с учетом сгорания 2 г дизельного топлива получим 0,3 кг кислорода.

Во время сгорания 0,1 кг угля выделится 800 ккал, которые будут затрачены на нагрев смеси из 0,1 кг водяного пара и 0,3 кг кислорода с теплоемкостью

(0,3кг 0,24 ккал/кгград. + 0,1кг 0,42 ккал/кгград.):0,4 кг = 0,28 ккал/кгград.

Смесь из 0,4 кг пара и кислорода с теплоемкостью 0,28 ккал на кгград. и 0,1 кг угольной пыли может нагреться на 800 ккал:(0,28 ккал/кгград. 0,5 кг)= 5700^oC, но уже при температуре выше 2000^oC начинается диссоциация водяного пара на H₂ и О₂ и углекислого газа на CO и O₂. На этот процесс расходуется значительное количество теплоты и максимальная температура в камере 14, по-видимому, не превзойдет 3000^oC. При этом давление парогаза увеличится более чем в 10 раз, но в момент воспламенения топлива стремительно откроется дверца 8, перекрывающая окно 13, и уже при повороте ротора на 20^oC с момента начала открытия окна 13 (фиг. 5),т.е. за 1/18 оборота ротора, обьем камеры расширения увеличится более чем в 3 раза по сравнению с объемом камеры 14 и давление парогаза в ней уменьшится во столько же раз. При этом уменьшится и температура парогаза до 2000^oC и начнется процесс обратный диссоциации водяного пара и углекислого газа с выделением теплоты и торможением спада температуры и давления парогаза при его расширении в камере 10. Следовательно, тепловая энергия топлива, сгоревшего при пониженной температуре из-за вышеупомянутой диссоциации, с небольшой потерей, связанной с оборотом ротора на 20^oC, будет реализована при дальнейшем вращении ротора еще на 250^oC.

Учитывая приближенный характер вычислений и отсутствие опытных данных, при испытаниях опытных образцов РДК-19 в начале испытаний использовать эмульсию с содержанием угольной пыли 1:2 по массе к воде, затем перейти к испытаниям с использованием эмульсии в соотношении угля и воды 1:1,5 и при улучшении характеристик работы РДК-19 перейти к эмульсии 1:1 - уголь:вода. Исходя из анализа характеристик работы РДК-19 с различными по составу эмульсиями, принять состав водной эмульсии угольной пыли рациональный для использования в работе ТЭСK, как для работы РДК-19, так и для транспортировки водно-угольной эмульсии по трубопроводу до ТЭСК.

Сгорание топлива в сжатом воздухе происходит при наличии 79% азота и других газов, не участвующих в горении топлива, затрудняющих это горение и отнимающих существенную часть тепловой энергии топлива, затрачиваемой на нагрев этих балластных газов из состава воздуха, в котором для горения топлива необходим только 21%, содержащегося в воздухе кислорода. Т.к. на 1 кг топлива необходимо около 8 кг кислорода, то на 1 кг топлива помимо необходимых 3 кг кислорода приходится еще 14 кг балластных газов.

В случае сгорания в кислороде водно-угольной эмульсии с отношением 1 кг угольной пыли на 1 кг воды балластным газом для горения будет 1 кг водяного пара, т. е. в этом случае балластных газов будет в 14 раз меньше, чем при сгорании топлива в сжатом воздухе. В результате существенно улучшаются условия воспламенения и горения угольной пыли и повышается КПД двигателя, т.к. с выхлопными газами в 14 раз меньше выносится нагретых балластных газов, уносящих с собой в несколько раз больше тепловой энергии топлива, чем выносится тепловой энергии паром в парогазе РДК-19. К тому же в парогазе нет окислов азота и меньше окиси углерода (за счет лучших условий сгорания топлива), являющихся главными отравителями атмосферы выхлопными газами ДВС.

Исходя из потерь энергии при работе РДК-19 на водно-угольной эмульсии и кислороде и затрат, необходимых для работы устройств (механизмов), обеспечивающих работу РДК-19, его КПД можно принять равным 0,8, т.е. в 2-3 раза выше, чем у современных двигателей ТЭС. При этом РДК-19 мощностью в 50000 кВт, потребляющий 2 кг угольной пыли в секунду (4 кг водно-угольной эмульсии) будет иметь габариты менее чем 2м х 2м х 4м, массу менее 10 т и скорость вращения ротора менее 20 оборотов в секунду.

С применением РДК-19 для получения на кислородной станции кислорода, потребуется не более 0,4 кВтч на получение 1,5 кг кислорода или 0,8 кВтч или на сжигание 1 кг угольной пыли с избытком кислорода в 10% и затратой 0,02 кг дизельного топлива на воспламенение топливной смеси. При сгорании 1 кг угля выделится 8000 ккал тепла, используя которые в РДК-19 с КПД = 0,8 получим:

8000 ккал 0,00116 кВтч/ккал 0,8 = 7,4 кВтч

Следовательно, для обеспечения кислородом работы РДК-19 потребуется затрата его мощности, равная 0,8 кВтч : 7,4 кВтч = 0,11 или 11%. С учетом затрат мощности РДК-19 на получение кислорода, необходимого для его работы, его КПД будет равен 0,8 - 0,11 = 0,69. С этим же КПД на ТЭСК будет производиться электроэнергия в режиме ее потребления. На ТЭС, работающей в базовом режиме, электроэнергия будет производится с КПД, который можно получить исходя из КПД парового котла, равного 0,85, паровой турбины - 0,42 и ГАЭС, имеющей потери, равные 0,35 от перерабатываемой 1/4 электроэнергии для согласования режимов производства и потребления электроэнергии и понижающей КПД на 0,35 1/4 = 0,09, т.е. в 0,91. Результативный КПД для ТЭС будет равен 0,85 0,42 0,91 = 0,32. Следовательно, КПД ТЭСК более чем в 2 раза превосходит КПД ТЭС. Учитывая, что стоимость природного газа, на котором работает ТЭС с КПД 0,32, в 2 раза дороже, чем стоимость угольной пыли, получим, что по потребляемому топливу 1 кВтч вырабатываемой электроэнергии с помощью ТЭСК стоит в 4 раза дешевле, чем с помощью ТЭС, работающей на природном газе. При этом ТЭСК будет вырабатывать в 2 раза больше электроэнерги, чем ТЭС и не загрязнять атмосферный воздух продуктами сгоревшего топлива и окислами азота, образующимися при горении топлива в ТЭС.

Работа ТЭС на угле с транспортировкой его ж.-д. транспортом от шахты до ТЭС и сжиганием в паровом котле недопустима в XXI веке по экологическим требованиям и не может быть конкурентоспособной по экономическим характеристикам в сравнении с предлагаемой ТЭСК.