способ преобразования тепловой энергии в механическую, способ увеличения энтальпии и коэффициента сжимаемости водяного пара

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, включающий добавление в рабочую жидкость каталитического вещества, сообщение рабочей жидкости, находящейся в резервуаре, тепловой энергии, достаточной для перевода рабочей жидкости из жидкой фазы в парообразную, подачу рабочей жидкости в парообразной фазе в устройство для преобразования энергии в механическую работу с расширением парообразной рабочей жидкости и снижением температуры и давления, конденсацию парообразной рабочей жидкости, циклическое возвращение рабочей жидкости в жидкой фазе в резервуар, отличающийся тем, что каталитическое вещество добавляют в рабочую жидкость до или после сообщения ей тепловой энергии, при этом каталитическое вещество представляет собой твердое вещество, его раствор или суспензию, либо жидкое вещество, содержит карбонильную функциональную группу и имеет в ИК-спектре интенсивную полосу поглощения в области от 1550 до 1850 см^-1, причем указанное вещество добавляют в количестве от 0,0000001 до 1,0 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочей жидкости используют жидкий углеводород или смесь жидких углеводородов или воду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каталитическое вещество выбирают из ряда: соли карбоновых кислот общей формулой RC(O)OMe, где R - алкильный или арильный радикал, Me - одновалентный катион; амиды карбоновых кислот общей формулой RC(O)NR'R", где R - алкильный или арильный радикал, а R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал; анилиды карбоновых кислот общей формулой РС(O)NHC₆H₅, где R - алкильный или арильный радикал; сложные эфиры карбоновых кислот общей формулой R'COOR", где R' и R" - углеводородные радикалы; ортоэфиры карбоновых кислот общей формулой Р'С(ОР") ₃, где R' и R" - углеводородные радикалы; диамид угольной кислоты (NH₂)₂CO; сложные эфиры угольной кислоты ациклические и циклические; уретаны общей формулой R'R"NC(O)OR, где R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал, а R - алкильный или арильный радикал; аминокарбоновые кислоты, молекулы которых содержат аминогруппы (NH₂ -группы) и карбоксильные группы (СООН-группы); пептиды и белки, молекулы которых построены из остатков -аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями C(O)NH; соли и эфиры фталевой кислоты.

4. Способ увеличения энтальпии и коэффициента сжимаемости водяного пара, включающий нагрев воды в резервуаре до получения пара, добавление в воду каталитического вещества для образования смеси с паром, имеющей повышенные значения энтальпии и коэффициента сжимаемости, отличающийся тем, что каталитическое вещество добавляют в воду до или после начала ее нагрева в количестве от 0,0000001 до 1,0 мас.%, при этом каталитическое вещество представляет собой твердое вещество, его раствор или суспензию либо жидкое вещество и имеет в ИК-спектре интенсивную полосу поглощения в области от 1550 до 1850 см^-1.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что каталитическое вещество выбирают из ряда: соли карбоновых кислот общей формулой RC(O)OMe, где R - алкильный или арильный радикал, Me - одновалентный катион; амиды карбоновых кислот общей формулой RC(O)NR'R", где R - алкильный или арильный радикал, а R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал; анилиды карбоновых кислот общей формулой RC(O)NHC ₆H₅, где R - алкильный или арильный радикал; сложные эфиры карбоновых кислот общей формулой R'COOR", где R' и R" - углеводородные радикалы; ортоэфиры карбоновых кислот общей формулой R'C(OR")₃, где R' и R" - углеводородные радикалы; диамид угольной кислоты (NH₂)₂CO; сложные эфиры угольной кислоты ациклические и циклические; уретаны общей формулой R'R"NC(O)OR, где R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал, а R - алкильный или арильный радикал; аминокарбоновые кислоты, молекулы которых содержат аминогруппы (NH₂-группы) и карбоксильные группы (СООН-группы); пептиды и белки, молекулы которых построены из остатков -аминокислот, соединенных собой пептидными (амидными) связями С(O)NH; соли и эфиры фталевой кислоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием рабочей жидкости, в частности, с целью генерирования электроэнергии, однако не ограничивается этим применением.

Для выполнения полезной работы должна быть изменена форма энергии: потенциальная должна быть преобразована в кинетическую, тепловая - в механическую, механическая - в электрическую и так далее. Экспериментально подтверждаемая эквивалентность всех форм энергии приводит к выводу первого закона термодинамики, а именно: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а всегда сохраняется в той или иной форме. Поэтому стараются увеличить эффективность этого процесса с тем, чтобы максимально увеличить получение требуемой формы энергии и в то же время максимально снизить потери энергии в других формах.

Механическая, электрическая и кинетическая энергия - это формы энергии, которые могут преобразовываться одна в другую с очень высокой степенью эффективности. Однако это не относится к тепловой энергии. Если мы попытаемся преобразовать тепловую энергию при температуре Т в механическую работу, эффективность этого процесса будет ограничена значением 1-Т₀/Т, где Т₀ - температура окружающей среды. Эта полезная энергия, которая может быть преобразована, называется эксергией, в то время как энергия, которая не может быть преобразована в эксергию, называется анергией. Соответственно первый закон термодинамики может быть сформулирован как "сумма эксергии и анергии всегда постоянная".

Кроме того, второй закон термодинамики, который гласит, что процессы осуществляются в определенном заданном направлении и не могут осуществляться в обратном направлении, может быть сформулирован как "невозможно преобразовать анергию и эксергию".

Термодинамические процессы могут быть разделены на нереверсивные и реверсивные. В нереверсивных процессах выполненная работа равна нулю, при этом эксергия преобразуется в анергию. В реверсивных процессах может быть выполнена максимально возможная работа.

Попытки преобразования энергии базируются на втором законе, имея целью максимально использовать эксергию прежде, чем она будет преобразована в анергию - форму энергии, которая не может больше использоваться. Другими словами, должны быть созданы условия, поддерживающие реверсивность процесса как можно дольше.

Настоящее изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую, в частности с целью генерирования электроэнергии - процесса, который вызывает наибольшие затруднения с точки зрения эффективности. В этом процессе тепло передается к рабочей жидкости, которая подвергается в реверсивном цикле воздействию ряда соотношений температуры, давления и объема. Известно, что идеальным регенеративным циклом является цикл Карно, однако можно использовать и ряд других общепринятых циклов, в особенности цикл Ранкина, а также циклы Аткинсона, Эриксона, Брайтона, Дизеля и Ленойра. При использовании какого-либо из этих циклов рабочая жидкость в газообразной форме подается в устройство для преобразования энергии рабочей жидкости в механическую энергию, которым может быть как турбина, так и большое множество тепловых машин других типов. В каждом случае, когда рабочая жидкость выполняет полезную механическую работу, объем жидкости возрастает, а ее температура и давление уменьшаются. Оставшаяся часть цикла относится к увеличению температуры и давления рабочей жидкости с тем, чтобы она могла далее выполнять полезную механическую работу.

Поскольку рабочая жидкость является важным для выполнения полезной работы элементом цикла, известен ряд процессов, в которых рабочую жидкость модифицируют с тем, чтобы увеличить полезную работу промесса. В патенте US 4439988 описывается цикл Ранкииа, в котором для впрыскивания в турбину рабочей жидкости в газообразном состоянии применен эжектор. Оказалось, что благодаря применению эжектора для впрыска легкого газа в рабочую жидкость (после того, как рабочая жидкость была нагрета и испарена), турбина извлекает полезную энергию при меньшем падении давления, чем потребовалось бы в предыдущем варианте с применением только рабочей жидкости, и что имеется существенное падение температуры рабочей жидкости, чем обеспечивается работа турбины в среде с более низкой температурой. Могут быть использованы следующие легкие газы: водород, гелий, азот, воздух, водяной пар или органические соединения, имеющие молекулярную массу, меньшую, чем у рабочей жидкости.

Патент US 4196594 описывает способ впрыска инертного газа, такого как аргон или гелий, в рабочую жидкость в газообразном состоянии (например, водяной пар), используемую для выполнения механической работы в тепловом двигателе. Пар с добавками имеет более низкое, по сравнению с вариантом применения рабочей жидкости без добавок, значение показателя адиабаты Н, где значение Н определяется как Cp/Cv, где Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, a Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме.

Патент US 4876855 посвящен рабочей жидкости для электростанции, работающей по циклу Ранкина, в которую включают полярное и неполярное соединения, при этом полярное соединение имеет меньшую, чем у неполярного соединения, молекулярную массу.

Известные технические решения в качестве модифицирующего рабочую жидкость вещества используют газообразную добавку, использование которой снижает уровень безопасности технологического процесса, требует усложнения аппаратурного оформления.

Из уровня техники известен способ преобразования тепловой энергии в механическую по патенту РФ № 2114999 (опубл. 1998.07.10), принятый за прототип, для одного из группы изобретений, включающий добавление в рабочую жидкость каталитического вещества, сообщение рабочей жидкости, находящейся в резервуаре, тепловой энергии, достаточной для перевода рабочей жидкости из жидкой фазы в парообразную, подачу рабочей жидкости в парообразной фазе в устройство для преобразования энергии в механическую работу, с расширением рабочей жидкости и снижением температуры, циклическое возвращение расширенной и охлажденной жидкости в жидкой фазе в резервуар.

Недостатками способа по прототипу являются необходимость принятия мер по обеспечению безопасности проведения процесса при добавлении в рабочую жидкость водорода или гелия, безопасности транспортировки и хранения газообразной добавки в баллонах под давлением, обязательность стадии выделения добавки из расширенной и охлажденной рабочей жидкости, что усложняет сам процесс и его аппаратурное оформление, необходимость введения добавки в немалом количестве, что снижает экономическую привлекательность способа. Кроме того, способ имеет ограничения по выбору веществ, пригодных для его осуществления, - вещества с молекулярной массой, не превышающей молекулярную массу рабочей жидкости, и по выбору последовательности операций - каталитическое вещество вводят в воду, которая уже залита в резервуар, и только после перевода рабочей жидкости в пар, не раньше, что снижает его эксплуатационные возможности.

Известен способ увеличения энтальпии и коэффициента сжимаемости водяного пара по патенту РФ № 2114999 (опубл. 1998.07.10), принятый за прототип для второго из группы заявляемых технических решений, включающий нагрев воды в резервуаре до получения пара, добавление в воду каталитического вещества для образования смеси с паром, имеющей повышенные значения энтальпии и коэффициента сжимаемости.

Известный способ не экономичен, требует введения, в частных случаях использования, до 9 мас.% гелия, предполагает особые меры по обеспечению безопасности при транспортировке, хранении и применении, обусловливает усложнение аппаратурного оформления. Кроме того, известный способ имеет жесткие ограничения по выбору веществ, пригодных для его осуществления - только водород или гелий, и непременное условие подачи каталитического вещества именно в пар, что снижает его эксплуатационные возможности.

В качестве группы изобретений предлагаются способ преобразования тепловой энергии в механическую и способ увеличения энтальпии и коэффициента сжимаемости водяного пара, которые решают одну и ту же задачу - повышение эффективности процесса путем освобождения остаточной энтальпии системы и увеличения расширения рабочей жидкости в парообразной фазе за счет реализации условий по обеспечению повышения теплоты парообразования, при одновременном расширении номенклатуры веществ, пригодных к использованию в качестве каталитического вещества, обеспечении расширения эксплуатационных возможностей, технологичности, безопасности процесса, а также при существенном снижении количества вводимого в рабочую жидкость вещества, обусловливающем экономическую привлекательность способов.

Поставленная задача решается предлагаемым способом преобразования тепловой энергии в механическую, включающим добавление в рабочую жидкость каталитического вещества, сообщение рабочей жидкости, находящейся в резервуаре, тепловой энергии, достаточной для перевода рабочей жидкости из жидкой фазы в парообразную, подачу рабочей жидкости в парообразной фазе в устройство для преобразования энергии в механическую работу, с расширением парообразной рабочей жидкости и снижением температуры и давления, конденсацию парообразной рабочей жидкости с отводом выделившейся теплоты парообразования, циклическое возвращение рабочей жидкости в жидкой фазе в резервуар. Особенность заключается в том, что каталитическое вещество добавляют в рабочую жидкость до или после сообщения ей тепловой энергии, при этом каталитическое вещество представляет собой твердое вещество, его раствор или суспензию либо жидкое вещество или его эмульсию, содержит карбонильную функциональную группу и имеет в ИК-спектре интенсивную полосу поглощения в области от 1550 до 1850 см^-1 см, причем указанное вещество добавляют в количестве от 0,0000001 до 1,0 мас.%.

В частности, в качестве рабочей жидкости используют жидкий углеводород или смесь жидких углеводородов или воду.

В частности, каталитическое вещество выбирают из ряда: соли карбоновых кислот общей формулой RC(O)OMe, где R - алкильный или арильный радикал, Me - одновалентный катион; амиды карбоновых кислот общей формулой RC(O)NR'R", где R - алкильный или арильный радикал, а R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал; анилиды карбоновых кислот общей формулой RС(O)NHC₆ H₅, где R - алкильный или арильный радикал; сложные эфиры карбоновых кислот общей формулой R'COOR", где R' и R" - углеводородные радикалы; ортоэфиры карбоновых кислот общей формулой R'C(OR")₃, где R' и R" - углеводородные радикалы; диамид угольной кислоты (NH₂)₂CO; сложные эфиры угольной кислоты ациклические и циклические; уретаны общей формулой R'R" NC(O)OR, где R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал, а R - алкильный или арильный радикал; аминокарбоновые кислоты, молекулы которых содержат аминогруппы (NH₂ -группы) и карбоксильные группы (СООН-группы); пептиды и белки, молекулы которых построены из остатков -аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями С(O)NH; соли и эфиры фталевой кислоты.

Поставленная задача решается предлагаемым способом увеличения энтальпии и коэффициента сжимаемости водяного пара, включающим нагрев воды в резервуаре до получения пара, добавление в воду каталитического вещества для образования смеси с паром, имеющей повышенные значения энтальпии и коэффициента сжимаемости. Особенность заключается в том, что каталитическое вещество добавляют в воду до или после начала ее нагрева, при этом каталитическое вещество представляет собой твердое вещество, его раствор или суспензию либо жидкое вещество или его эмульсию и имеет в ИК-спектре интенсивную полосу поглощения в области от 1550 до 1850 см^-1, причем указанное вещество добавляют в количестве от 0,0000001 до 1,0 мас.%.

В частности, каталитическое вещество выбирают из ряда: соли карбоновых кислот общей формулой RC(O)OMe, где R - алкильный или арильный радикал, Me - одновалентный катион; амиды карбоновых кислот общей формулой RC(O)NR'R", где R - алкильный или арильный радикал, а R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал; анилиды карбоновых кислот общей формулой RС(O)NHC₆H₅, где R - алкильный или арильный радикал; сложные эфиры карбоновых кислот общей формулой R'COOR", где R' и R" - углеводородные радикалы; ортоэфиры карбоновых кислот общей формулой R'C(OR") ₃, где R' и R" - углеводородные радикалы; диамид угольной кислоты (NH₂)₂CO; сложные эфиры угольной кислоты ациклические и циклические; уретаны общей формулой R'R"NC(O)OR, где R' и R" - водород, алкильный или арильный радикал, а R - алкильный или арильный радикал; аминокарбоновые кислоты, молекулы которых содержат аминогруппы (NH₂ -группы) и карбоксильные группы (СООН-группы); пептиды и белки, молекулы которых построены из остатков -аминокислот, соединенных между собой пептидными (амидными) связями С(O)NH; соли и эфиры фталевой кислоты.

Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемые способы отличаются от ближайшего аналога иным агрегатным состоянием используемого каталитического вещества, иным его количественным содержанием, иной его молекулярной массой, превышающей молекулярную массу жидкости, в которую оно добавляется (в прототипе молекулярная масса каталитического вещества не превышает молекулярную массу указанной жидкости), возможностью добавления каталитического вещества как до, так и после сообщения жидкости тепловой энергии; иным принципом расширения жидкости, в которую добавляется каталитическое вещество - индукция перехода между триплетным и синглетным состоянием молекул жидкости (в прототипе - обычная растворимость за счет близкой молекулярной массы веществ).

При рассмотрении преобразования тепловой энергии в механическую чрезвычайно важным термодинамическим свойством является энтальпия. Энтальпия определяется как сумма внутренней энергии и произведения давления на объем Н=U+PV. Энтальпия на единицу массы определяется как сумма внутренней энергии и произведения давления на удельный объем h=U+PV. Когда значение давления приближается к нулю, все газы приближаются к идеальному газу, и изменение внутренней энергии определяется как произведение удельной теплоемкости С_ро и приращения температуры dT. Приращение "идеальной" энтальпии определяется как произведение С_ро и приращения температуры: dh=C _podT. Пока давление превышает нулевое значение, приращение энтальпии представляет собой "реальную" энтальпию. Отношение разности между идеальной энтальпией и реальной энтальпией к критической температуре рабочей жидкости называется остаточной энтальпией.

Заявитель теоретически обосновал, что большую эффективность реверсивного процесса можно обеспечить, если удастся обеспечить приращение реальной энтальпии системы в диапазоне значений температуры и давления, какие требовались для ее предыдущего состояния. Это предположительно можно было бы осуществить с помощью способов, которые позволили бы освободить "остаточную" энтальпию, в сущности, понижая потери эксергии в системе.

Другим чрезвычайным важным свойством рабочей жидкости является коэффициент сжимаемости Z, с помощью которого определяется соответствие поведения реального газа поведению идеального. Поведение идеального газа при изменяющихся давлении (Р), объеме (V) и температуре (Т) определяется уравнением состояния

где m - масса газа;

µ - молярная масса газа;

R - универсальная газовая постоянная.

Это уравнение в действительности неполностью описывает поведение реального газа, для которого было определено соотношение

PV=Z RT,

где Z - коэффициент сжимаемости;

- количество вещества.

Для идеального газа Z равна 1, а для реального газа коэффициент сжимаемости изменяется в зависимости от давления и температуры. Хотя значения коэффициента сжимаемости для различных газов отличаются, оказалось, что они фактически постоянны, если эти значения определяются как функции одного и того же значения приведенного давления. Приведенная температура определяется как отношение температуры к критической температуре Т/Тс, а приведенное давление определяется как отношение давления к критическому давлению Р/Рс. Критические температуры и давление - это температура и давление, при которых мениск между жидкой и газообразной фазой вещества исчезает, и вещество образует единую, непрерывную жидкую фазу.

Заявитель также теоретически обосновал, что значительное объемное расширение можно получить путем изменения коэффициента сжимаемости рабочей жидкости.

Заявитель также теоретически обосновал, что можно найти вещество, которое позволило бы увеличить как энтальпию, так и сжимаемость рабочей жидкости.

Таким образом, задача изобретения - освобождение остаточной энтальпии системы с целью увеличения эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую.

Задачей изобретения также является увеличение расширения рабочей жидкости с целью увеличения работы, производимой рабочей жидкостью.

Эффективность этого процесса может быть повышена путем добавления вещества, способствующего увеличению теплоты парообразования, в рабочую жидкость.

Практический эффект от добавления вещества, способствующего увеличению теплоты парообразования, в рабочую жидкость проявляется в значительном увеличении приращения энтальпии и, таким образом, расширении, которому подвергается жидкость или пар при данных температуре и давлении. Благодаря этому большему расширению может быть выполнено большее количество механической работы, при фиксированном количестве подводимой тепловой энергии, или же количество тепловой энергии может быть уменьшено с целью получения данного количества работы. В любом случае имеет место значительное повышение эффективности этого процесса.

Предлагая настоящее изобретение, заявитель теоретически обосновал, что при нагревании рабочей жидкости в резервуаре изменение реальной энтальпии за пределами заданного температурного диапазона больше, чем когда в рабочую жидкость добавлено "каталитическое" вещество. В тех случаях, когда присутствует "каталитическое" вещество, для выполнения работы необходимо больше полезного тепла, при любом данном значении температуры давление выше по сравнению с той же системой, но без катализатора. Для каждого заданного значения давления может быть снижено значение температуры по сравнению с той же системой, но без катализатора.

Заявитель считает, что, оказывая воздействие на межмолекулярные взаимодействия, а именно на обменное взаимодействие молекул рабочей жидкости при помощи "каталитического" вещества, можно существенно изменить коэффициент сжимаемости полученного в результате этого процесса газа.

Межмолекулярные взаимодействия - это взаимодействия молекул между собой, не приводящие к разрыву или образованию новых химических связей. Межмолекулярные взаимодействия определяют отличие реальных газов от идеальных. От межмолекулярных взаимодействий зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Основу межмолекулярных взаимодействий составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. В экспериментально определяемых свойствах вещества проявляется усредненное взаимодействие, которое зависит от расстояния R между молекулами, их взаимной ориентации, строения и физических характеристик (дипольного момента, поляризуемости и др.). При больших R, значительно превосходящих линейные размеры 1 самих молекул, вследствие чего электронные оболочки молекул не перекрываются, силы межмолекулярного взаимодействия можно достаточно обоснованно подразделить на три вида - электростатические, поляризационные (индукционные) и дисперсионные. При малых расстояниях между молекулами (R ~ 1) различать отдельные виды межмолекулярного взаимодействия можно лишь приближенно, при этом помимо названных трех видов выделяют еще два, связанные с перекрыванием электронных оболочек - обменное взаимодействие и взаимодействия, обязанные переносу электронного заряда. Несмотря на некоторую условность, такое деление в каждом конкретном случае позволяет объяснять природу межмолекулярных взаимодействий и рассчитать его энергию.

Полная энергия межмолекулярного взаимодействия, или межмолекулярный потенциал (V) приблизительно равняется сумме вкладов отдельных видов межмолекулярного взаимодействия

V=V_эл-ст+V_пол+V_дисп +V_обм.

Расчеты показывают, что в тех случаях, когда молекулы полярны, наибольший по абсолютной величине вклад в энергию притяжения при R Re дает V_эл-ст. Величина V_обм того же порядка, но она приводит к отталкиванию молекул. Вклады V _пол и V_дисп составляют при этом, как правило, от 20 до 40% суммарной энергии притяжения. Типичная зависимость от R полной энергии взаимодействия полярных молекул и отдельных ее вкладов приведена на фиг.1 для димера воды.

Обменное взаимодействие - это специфическое квантово-механическое взаимодействие тождественных частиц, в частности электронов. Обменное взаимодействие проявляется лишь при непосредственном сближении атомов. Если при сближении атомов или молекул электроны на внешних электронных оболочках находятся в синглетном состоянии ( - проекции спинов на ось квантования), т.е. суммарный спин равен нулю (S=0), атомы или молекулы притягиваются, а если в триплетном состоянии ( , , ), т.е. суммарный спин равен единице (S=1), атомы или молекулы отталкиваются. Из этого видно, что статистический вес встреч в триплетном состоянии равен 3/4, что и приводит к отталкиванию молекул. Если же использовать «спиновый катализатор», который облегчит конверсию пары электронов на внешних электронных оболочках сближающихся атомов или молекул из триплетного спинового состояния в синглетное, данное соотношение можно изменить в сторону увеличения соударений в синглетном состоянии. Действие «спинового катализатора» не связано с уменьшением энергии активации взаимодействия. Магнитные взаимодействия сближающихся атомов или молекул со «спиновым катализатором» вносят пренебрежимо малый вклад в энергетику взаимодействия, но они изменяют спиновое состояние электронов на внешних электронных оболочках, снимают спиновый запрет на притяжение молекул. Таким образом, «спиновый катализатор» управляет взаимодействием, индуцируя в электронах на внешних электронных оболочках сближающихся атомах или молекулах переходы между триплетным и синглетным состояниями, которые характеризуются разной энергетической способностью. Увеличив вероятность соударений в синглетном состоянии, можно уменьшить значение V_обм и тем самым увеличить энергию притяжения молекул. Следовательно, увеличится полная энергия межмолекулярного взаимодействия. Это приведет к увеличению коэффициента сжимаемости пара.

Пусть в приведенном ниже уравнении подстрочный индекс "о" относится к свойствам чистого пара, а подстрочный индекс "к" - к свойствам пара, полученного с введением каталитического вещества (для давления, объема, молекулярной массы и константы R). Из определения коэффициента сжимаемости известно

и

Из этих уравнений можно получить следующее:

а если

Р, Т, R для обеих систем одинаковы, они взаимно уничтожаются, и уравнение принимает вид

Однако было уже показано, что теоретически Z_k больше Z_o, а поэтому

Таким образом, приведенные выше уравнения показывают, что при заданных условиях значение объемного расширения пара после введения в рабочую жидкость катализатора выше, чем в случае применения чистого пара. Увеличивая объемное расширение пара при данных условиях, можно существенно увеличить количество выполненной работы.

Схема паротурбинной установки на насыщенном паре приведена на фиг.2.

Термический КПД (без учета работы насоса):

где - энтальпия воды в состоянии насыщения при давлении P _K.

В устройстве, схема которого показана на фиг.2, для нагревания рабочей жидкости применяется котел 1. Выход котла подключен к турбине 2, которая генерирует электрическую энергию, потребляемую нагрузкой. Рабочая жидкость, подвергаемая расширению в турбине 2, конденсируется снова в жидкость в конденсаторе 3. После конденсатора 3 рабочая жидкость, находящаяся в жидкой фазе, сжимается насосом 4 и возвращается в котел.

Из уравнения термического КПД паротурбинной установки видно, что если энтальпия рабочей жидкости, произведенной с применением катализатора h_k больше энтальпии чистого пара h _o, тогда и термический КПД установки больше.

Эта теория была применена выше для расчета энтальпии, освобождаемой из водяного пара, но она одинаково применима для любой и каждой рабочей жидкости, которая разогревается до газообразного состояния и которая подвергается расширению и охлаждению с целью выполнения механической работы.

Таким образом, добавление к такой рабочей жидкости "каталитического" вещества, способствующего увеличению теплоты парообразования жидкости, позволяет увеличить количество выполненной работы при том же подводе теплоты.

В Таблице приведены данные, полученные экспериментальным путем, показывающие увеличение теплоты парообразования воды в зависимости от использования в качестве добавки конкретного вещества (при 100°С).

Таблица
Класс веществ	Вещества	Концентрация в воде, г/м3	Увеличение теплоты парообразования, %
Соли карбоновых	ацетат натрия	5.5-7.0	0.2-0.3
кислот	ацетат аммония	8.0-10.0	0.2-0.3
Амиды карбоновых кислот	ацетамид	9.0-12.0	0.5-0.6
бензамид	10.0-12.5	0.5-0.6
Анилиды карбоновых кислот	ацетанилид	8.0-11.5	0.6-0.7
форманилид	9.0-12.5	0.6-0.7
Сложные эфиры карбоновых кислот	этилацетат	0.5-1.0	0.4-0.5
бутилбутират	0.7-1.2	0.4-0.5
Ортоэфиры карбоновых кислот	этилортоацетат	8.5-10.0	0.8-0.9
этилортоформиат	9.0-12.0	0.8-0.9
Полный амид угольной кислоты	диамид угольной кислоты (карбамид)	1.0-3.5	0.2-0.3
Сложные эфиры угольной кислоты (карбонаты органические) ациклические и циклические	дибутилкарбонат	0.08-0.12	1.0-1.5
пропиленкарбонат	0.07-0.12	1.0-1.5
Уретаны	этилкарбамат	1.0-2.0	0.9-1.1
пропилкарбамат	0.1-0.3	0.9-1.1
Аминокарбоно- вые кислоты	глицин	2.5-3.5	0.7-0.8
лизин	0.8-1.5	0.7-0.8
Пептиды и белки	карнозин	4.0-5.0	1.0-1.2
протамин	2.5-3.5	1.0-1.2
Соли и эфиры фталевой кислоты	натрий фталат	5.5-7.0	0.7-0.8
дибутилфталат	6.0-8.0	0.7-0.8

На практике испытания проводились на котле марки БКЗ-210-140 с параметрами пара 13,8 МПа, 560°С. Котел изготовлен для сжигания каменного угля Кузнецкого угольного бассейна. Котел комплектуется датчиками, обеспечивающими контроль всех параметров работы котла. В котел были также вмонтированы клапаны, позволяющие добавлять каталитическое вещество в рабочую жидкость, находящуюся в котле.

Выработанный в котле пар поступал на паровую турбину Т 100/120-130-3 Уральского турбомеханического завода номинальной мощностью 100 тыс.кВт при n=3000 об/мин, рассчитанной для работы с конденсацией пара и одно-, двух- и трехступенчатым подогревом воды в сетевой подогревательной установке и в специально выделенном пучке конденсатора. Расчетные параметры свежего пара Р_о=12.75 МПа (130 кг/см²), t_o=565°C, номинальный расход охлаждающей воды 4.45 м³/с (16000 м³/ч). Турбина выполнена трехцилиндровой с 25 ступенями.

Оказываемый каталитическим веществом (использовался ацетамид с концентрацией 10 г/м³), введенным в рабочую жидкость, эффект наблюдался по изменению числа оборотов питателей угольной пыли при неизменной нагрузке котла (заданном количестве произведенного пара при номинальном давлении).

После начала испытаний и установления равномерного распределения каталитического вещества в водяном объеме котла начался спад давления в паропроводе и увеличение числа оборотов пылепитателей, что свидетельствует об уменьшении парообразования вследствие увеличения межмолекулярных взаимодействий и увеличения коэффициента сжимаемости пара. Когда произведенный в измененных условиях пар стал поступать на работающую турбину, начался резкий рост давления пара в паропроводе, в результате чего автоматика уменьшила подачу топлива на котел, уменьшив число оборотов питателей угольной пыли на 15% от ранее установленной. Испытания длились несколько суток, в течение которых держались достигнутые сниженные обороты пылепитателей. Все время проведения испытаний качество угля контролировалось лабораторией и было неизменным. После отключения подачи каталитического вещества обороты питателей угольной пыли вернулись в течение суток к начальным значениям.

Таким образом, ясно, что при добавлении небольшого количества каталитического вещества в котел результирующее значение температуры рабочей жидкости перед работающей турбиной неизменно, в то время как значительное объемное расширение пара, произведенного с помощью каталитического вещества, вызывает резкий рост давления. Как результат этого, может быть выполнено большее количество работы при том же самом подводе энергии.

Каталитическое вещество может добавляться к рабочей жидкости в широком диапазоне соотношений в зависимости от активности и степени разложения - от 0,0000001 до 1,0 мас.%.

Каталитическое вещество заявляемого технического решения аналогично веществу прототипа увеличивает реальную энтальпию рабочей жидкости, значение коэффициента сжимаемости, увеличивает расширение, что позволяет выполнить больше механической работы, практически понижает температуру в котле, уменьшая тем самым загрязнение окружающей среды, но при этом увеличивает теплоту парообразования и позволяет решить поставленную задачу.

Кроме того, оно способствует кристаллизации солей жесткости в объеме рабочей жидкости, а не на поверхностях теплообмена, что улучшает теплопередачу, а также увеличивает срок межремонтных периодов.

В связи с изменением спинового состояния молекул воды изменяется также ряд ее физико-химических параметров: теплоемкость, теплопроводность, плотность, электрическая проводимость, вязкость, растворяющая способность, адсорбция, активность кислорода и других газов, скорость прохождения звука, кислотность, окислительно-восстановительный потенциал, поверхностное натяжение.