СПОСОБ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЯДЕРНЫМ РЕАКТОРОМ Российский патент 1997 года по МПК F02C1/05 

Изобретение относится к теплоэнергетике, энергомашиностроению и атомной энергетике.

Известен способ работы энергетической установки с ядерным реактором, включающей передачу тепловой энергии ядерного реактора теплоносителю замкнутого контура, сжатие рабочего тепла в ступенях сжатия открытого газового контура, нагрев его теплообменом с рабочим телом вторичного контура теплопереноса и сжиганием топлива в камере сгорания, а также расширение в ступенях расширения [1] (с. 77, рис. 2.8).

При реализации способа [1] энергетическая установка имеет невысокие к.п. д. и мощность.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ [2] (с. 103). Способ прототип [2] включает передачу тепловой энергии ядерного реактора теплоносителю замкнутого контура, сжатие рабочего тела в ступенях сжатия открытого газового контура, нагрев его сжиганием топлива в камере сгорания, расширение в ступенях расширения и передачу тепловой энергии из газового контура теплообменом рабочему телу паротурбинного контура. Тепло от ядерного реактора в [2] передают теплообменом в паротурбинный контур.

Для прототипа [2] также характерны недостаточно высокие к.п.д. и мощность.

Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом способе. В нем часть рабочего тела после ступеней сжатия открытого газового контура отбирают во вспомогательный контур, периодически ее охлаждают и сжимают в теплообменниках и вспомогательных ступенях сжатия, вновь охлаждают в теплообменнике, нагревают теплообменом с теплоносителем замкнутого контура, расширяют во вспомогательных ступенях расширения, смешивают и нагревают с оставшейся частью рабочего тела в камере сгорания газового контура, а тепло из теплообменников вспомогательного контура передает рабочему телу паро или газотурбинного контура. Для дополнительного повышения к.п.д. и мощности энергетической установки тепловую энергию теплоносителя замкнутого контура ядерного реактора передают теплообменом в химический контур, химические компоненты этого контура преобразуют продукты реакции, направляют их в камеры сгорания газового и вспомогательного контуров, сжигают их, а избыточную тепловую энергию из химического, вспомогательного и газового контуров передают теплообменном рабочему телу паро- или газотурбинного контура.

В отличие от прототипа в предложенном способе тепло от ядерного реактора передается не в паротурбинный контур, а в открытый газовый контур, причем не в основной контур, как в аналоге [1] а во вспомогательный. Во вспомогательном контуре давление рабочего тела больше давления рабочего тела в основном контуре в π*кв

Как и в прототипе, паротурбинный контур в установке утилизирует часть тепловой энергии газового контура. В предлагаемом способе тепловая энергия ядерного реактора передается в газовый контур и часть ее превращается в работу уже в этом контуре, а оставшаяся часть в паротурбинном контуре. В прототипе же из-за передачи тепла реактора сразу в паротурбинный контур этой возможности нет. Поэтому и к.п.д. и мощность прототипа будут ниже, чем у установки, работающей по предлагаемому способу.

При дополнительном нагреве рабочего тела вспомогательного контура перед расширением во вспомогательных ступенях расширения мощность газового контура существенно увеличивается.

Для химического контура паро(газо)турбинный контур является также утилизационным. Поэтому удельный теплоотвод из цикла установки может быть оставлен таким же, как и в прототипе. Часть тепловой энергии ядерного реактора преобразуется в химическую энергию топлива, которое сжигается в газовом контуре. Это равносильно передаче части тепла ядерного реактора в газовый контур, но только с более высоким потенциалом. При сохраненном удельном теплоотводе из цикла и увеличенном удельном теплоотводе в цикл к.п.д. и мощность энергетической установки возрастут. К.п.д. и мощность дополнительно увеличатся, если одновременно с топливом в химическом контуре будет получен также окислитель, например кислород. В этом случае снимается ограничение, накладываемое на количество сжигаемого топлива в камерах сгорания вспомогательного и основного контуров из-за конечного содержания кислорода в воздухе. Вследствие увеличения расхода рабочего тела в газовом контуре из-за подачи туда топлива и окислителя дополнительно возрастет его мощность.

На фиг. 1 и 2 приведены некоторые схемы энергетических установок, реализующих предложенные способы работы.

Тепловая энергия ядерного реактора 1 передается теплоносителю замкнутого контура 2 (фиг. 1). Рабочее тело сжимается в ступенях сжатия 3 открытого газового контура. Часть рабочего тела в камере сгорания 4 смешивается с рабочим телом вспомогательного контура и нагревается сжиганием топлива, расширяется в ступенях расширения 5. Часть тепловой энергии уходящих газов передается в паро(газо)турбинный контур 6.

После ступеней сжатия 3 часть рабочего тела отбирается во вспомогательный контур, в котором она охлаждается и сжимается в теплообменниках 7, 8 и вспомогательных ступенях сжатия 9, 10, вновь охлаждается в теплообменнике 11, нагревается в теплообменнике 12 и расширяется во вспомогательных ступенях расширения 13.

Тепло из теплообменников 7, 8 и 11 передается в паро(газо)турбинный контур 6. В этот же контур передается часть тепловой энергии из газового контура в парогенераторе, совмещенном с камерой сгорания 4.

Полезная мощность передается нагрузкам из вспомогательного, газового и паро(газо)турбинного контуров.

В установке, схема которой приведена на фиг. 2, вводится химический контур 14. 0т него подводится тепло от ядерного реактора с помощью теплообменника 15. В общем случае в химическом контуре 14 часть тепловой энергии ядерного реактора может быть преобразована не только в химическую энергию топлива, но и в другие виды энергии, например электрическую. Избыточная тепловая энергия из химического контура 14 передается в паро(газо)турбинный контур 6.

В химический контур 14 подаются химические компоненты, например вода или водяной пар из паро(газо)турбинного контура 6. Химические компоненты путем ряда воздействий (тепловых, электрических и т.д.) преобразуются в продукты реакции, которые направляются и сжигаются в камерах сгорания 4, 16, 17 газового и вспомогательного контуров. Если продуктом реакции является не только горючее, но и окислитель, например кислород, то количество вспомогательных ступеней расширения 13, 18 может быть увеличено, как и количество камер сгорания во вспомогательном контуре.

Полезным продуктом установки (фиг. 2) может быть не только электрическая энергия, но и химические вещества, например водород, кислород, продукты переработки каменного угля и т.д. [3] (с. 427-438).

Энергетическая установка, изображенная на фиг. 1, включает ядерный реактор 1, замкнутый контур 2 с теплоносителем, открытый газовый контур, содержащий ступени сжатия 3, камеру сгорания 4 и ступени расширения 5, паро(газо)турбинный контур 6. Вспомогательный контур включает горючие стороны теплообменников 7 и 8, разделенные проточной частью вспомогательных ступеней сжатия 9, вспомогательные ступени сжатия 10, горючую сторону теплообменника 11, холодную сторону теплообменника 12 и вспомогательные ступени расширения 13.

В установку, схема которой приведена на фиг. 2, введен химический контур 14, подключенный с помощью теплообменника 15 к замкнутому контуру 2 ядерного реактора 1. Теплообменником он связан также с паро(газо)турбинным контуром 6. В него подаются химические компоненты. Если для проведения химических реакций требуются вода или пар, то они отбираются из паро(газо)турбинного контура 6 с добавлением в него соответствующего количества химически очищенной воды. Продукты реакции поступают в камеры сгорания 4, 16 и 17, где сгорают. Камера сгорания 16 установлена между теплообменником 12 и вспомогательными ступенями расширения 13, а камера сгорания 17 разделяет вспомогательные ступени расширения 13 и 18.

В обеих установках холодные стороны теплообменников 7, 8 и 11 подключены к паро(газо)турбинному контуру 6. К нему также подключены холодные стороны теплообменников химического реактора 14 и парогенератора, конструктивно совмещенного с камерой сгорания 4. Тепло из паро(газо)турбинного контура отводится через теплообменник в окружающую среду.

Следует отметить, что в химическом контуре 14 могут быть осуществлены любые типы реакций, преобразующие химические компоненты в продукты реакции. Весьма перспективными можно считать термохимические, термоэлектрические, плазмохимические, электрохимические и т. д. методы получения водорода и кислорода [3] (с. 292-441).

Источники информации:
1. Акимов В. М. Бакулев В.И. Курзинер Р.И. и др. Теория и расчет воздушно- реактивных двигателей. М. Машиностроение, 1987. 568 с.

2. Манушин Э. А. Газовые турбины: проблемы и перспективы М. Энергоатомиздат, 1986. 168 с.

3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение /Справочник под ред. Д.Ю. Гамбурга и Н.Ф.Дубовкина М. Химия, 1989. 672 с.

Использование: в теплоэнергетике, энергомашиностроении и атомной энергетике. Сущность изобретения: часть рабочего тепла открытого газового контура отбирают во вспомогательный контур, в котором ее периодически охлаждают и сжимают, вновь охлаждают, нагревают теплообменом с теплоносителем замкнутого контура ядерного реактора, расширяют, смешивают с нагретой сжиганием топлива оставшейся частью рабочего тела в камере сгорания газового контура, а тепло из теплообменников вспомогательного контура передают рабочему телу паро-/газо/турбинного контура. Для дополнительного повышения к.п.д. и мощности установки в нее вводят химический контур, в который передают тепло ядерного реактора, а избыточное тепло удаляют теплообменом в паро-/газо/турбинный контур. Химические компоненты преобразуют в продукты реакции, которые сжигают в камерах сгорания вспомогательного и газового контуров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы энергетической установки с ядерным реактором, включающим передачу тепловой энергии ядерного реактора теплоносителю замкнутого контура, сжатие рабочего тела в ступенях открытого газового контура, нагрев его сжиганием топлива в камере сгорания, расширение в ступенях расширения и передачу тепловой энергии из газового контура теплообменом рабочему телу паро- или газотурбинного контура, отличающийся тем, что часть рабочего тела после ступеней открытого газового контура отбирают во вспомогательный контур, периодически ее охлаждают и сжимают в теплообменниках и вспомогательных ступенях сжатия, вновь охлаждают в теплообменнике, нагревают теплообменом с теплоносителем замкнутого контура, расширяют во вспомогательных ступенях расширения, смешивают и нагревают с оставшейся частью рабочего тела в камере сгорания газового контура, а тепло из теплообменников вспомогательного контура передают рабочему телу паро- или газотурбинного контура. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловую энергию теплоносителя замкнутого контура ядерного реактора передают теплообменом в химической контур, химические компоненты этого контура преобразуют в продукты реакции, направляют их в камеры сгорания газового и вспомогательного контура, сжигают их, а избыточную тепловую энергию из химического, вспомогательного и газового контуров передают теплообменом рабочему телу паро- или газотурбинного контура.