устройство для утилизации тепла отработавших газов

Формула изобретения

Устройство для утилизации тепла отработавших газов, содержащее расположенные на магистрали подвода воздуха нагнетатель, нагреватель, турбину для привода нагнетателя (или автономный привод нагнетателя), утилизационную силовую турбину, отличающееся тем, что нагреватель выполнен в виде роторного теплообменника, в котором корпус имеет внешнюю полость, подключенную к магистрали отработавшего газа, и внутреннюю полость, отгороженную от внешней теплопередающей поверхностью и подключенную к магистрали подвода воздуха на участке между нагнетателем и утилизационной силовой турбиной, причем внутренняя полость выполнена в виде двух смежных цилиндрических камер, снабженных вращающимися с помощью специального привода в разные стороны двумя зубчатыми элементами перегородками, при этом в пространстве, заключенном между двумя зубцами и теплопередающей поверхностью, а также боковыми стенками, заключен порционный объем транспортируемого от магистрали подвода воздуха от нагнетателя к утилизационной силовой турбине, который удаляется из нагревателя уменьшением этого порционного объема в результате вхождения в него зубчатого элемента смежного колеса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетическим и транспортным установкам и касается газотурбинных установок.

Известно изобретение (авт. св. N 1719684, кл. F 02 C 7/08, 1992), где подогрев воздуха перед подачей в камеру сгорания осуществляется при постоянном объеме.

Недостатком этого способа является невозможность реализации преимуществ, состоявших в повышении давления воздуха при таком способе подогрева, потому что для организации непрерывной работы установки полости /секции/ рекуператора должны периодически освобождаться от нагретой порции воздуха для обновления заряда. Причем давление в полости перед заполнением новой порцией воздуха должно быть меньше давления за компрессором, а лучше на уровне атмосферного, так как чем меньше это давление, тем в большей степени будет обновлен весовой заряд воздуха в секции рекуператора. В схеме работы ГТД по авт. св. N 1719684 это означает снижение давления перед камерой сгорания и турбинами до уровня ниже давления за компрессором, что приводит не к повышению, а снижению КПД двигателя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономичности работы энергетической, например, газотурбинной установки.

Техническим результатом поставленной задачи является получение тепла и повышение давления рабочего воздуха утилизационной установки, что приводит к получению дополнительной полезной работе в цикле и, следовательно, к дополнительному повышению КПД.

Указанная задача решается за счет того, что устройство для работы утилизационной установки, содержащее расположенные на магистрали подвода воздуха нагнетатель, привод которого осуществляется либо утилизационной турбиной, либо другим источником энергии, утилизационную силовую турбину и, согласно изобретению, снабжено нагревателем /например, рессорным/ с переменными объемом герметизируемых камер для нагрева воздуха, в корпусе которого имеется полость, подключенная к магистрали отработавшего газа, и полость, отгороженная от первой теплопередающей поверхностью и подключенную к магистрали отвода подогретого воздуха к утилизационной турбине, при использовании роторного нагревателя внутренняя полость для подогреваемого воздуха выполнена в виде двух смежных цилиндрических камер, снабженных вращающимися в разные стороны двумя зубчатыми элементами перегородками, при этом в пространстве, заключенном между двумя зубцами и теплопередающей огибающей цилиндрическую камеру поверхностью, а также боковыми стенками, заключен объем подогреваемого воздуха.

Данная совокупность признаков является достаточной во всех случаях практической реализации устройства для достижения оставленной перед нами задачи, поэтому на него и спрашивается объем правовой охраны.

Первичный технический результат при использовании изобретения заключается в подготовке воздуха, направляемого из нагревателя в утилизационную турбину в роторном нагревателе.

Существенным является то, что воздух получает подогрев отдельными порциями при постоянном объеме, при этом с повышением температуры увеличивается давление и обеспечивается возможность использования этого воздуха в утилизационной силовой турбине для получения дополнительной полезной работы.

Этот технический результат проявляется при реализации всех указанных существенных признаков устройства, является свойством этой совокупности признаков и в конечном счете сообщает объекту изобретения в целом полезные качества. Выполнение роторного теплообменника разделенным теплопередающей поверхностью на две полости внешнюю охватывающую и внутреннюю в виде двух смежных цилиндрических камер, снабженных вращающимися зубчатыми элементами, осуществляющими захват, транспортировку и удаление подогреваемых отдельных объемов воздуха, существенно улучшает технологический процесс использования тепла отработавших газов путем непосредственного получения в утилизационной установке дополнительной механической работы и, в конечном счете, повышает экономичность источника отработавших газов, например, газотурбинной установки.

На фиг. 1 показана схема способа утилизации тепла отработавших газов и устройства для утилизации тепла отработавших газов; на фиг. 2 схематически изображен роторный теплообменник в плане со снятой боковой стенкой.

Схема способа и устройство для утилизации тепла отработавших газов содержит нагреватель 1, турбину для привода нагнетателя 2, силовую турбину 3, потребитель 4 полезной мощности, роторный нагреватель 5, привод 6 нагревателя, внешнюю полость 7 нагревателя 5, теплопередающую поверхность 9, цилиндрические камеры 13, зубчатые элементы перегородки 11, порционный объем 14 между двумя перегородками 13.

На передней схеме работы нагнетатель воздуха 1 подключен к внутренней полости 8 нагревателя 5, а после него к утилизационной турбине 3, причем возможен привод нагнетателя от другого источника энергии, и в этом случае полость 8 соединяется непосредственно с утилизационной силовой турбиной 3. Внешняя полость 7 подключена к магистрали отработанного газа. Внутри нагревателя 5 полости 8 и 7 разделены между собой теплопередающей поверхностью 9, а внутренняя полость 7 выполнена в виде двух смежных цилиндрических камер 10, в центре каждой из которых установлены зубчатые элементы-перегородки 13. Они установлены так, чтобы обеспечить взаимное вращение в противоположные стороны при помощи привода 6. Между зубчатыми элементами-перегородками 13, теплопередающей поверхностью 9 и боковыми стенками заключается порционный объем 14, транспортируемый от нагнетателя 1 к турбинам.

Работа утилизационной установки осуществляется следующим образом.

Воздух из атмосферы поступает в нагнетатель 1, где его давление повышается. Далее он поступает в роторный нагреватель 5 с подогревом при постоянном объеме, где повышается его температура и давление. Полученное таким образом рабочее тело переходит из нагревателя в утилизационные турбины, где и совершает работу, а затем удаляется в атмосферу.

Работа роторного теплообменника происходит следующим образом.

Отработавший газ протекает по внешней стороне полости 7, передавая тепло через теплопередающую поверхность 9 воздуху, протекающему противоточно. Воздух из нагнетателя 1 попадает во внутреннюю полость 8 и заключается зубчатыми элементами-перегородками 13 в порционном объеме 14 между двумя боковыми стенками транспортируется вдоль теплопередающей поверхности 9, нагреваясь в процессе движения. В процессе этого движения происходит увеличение температуры и давления.

Для подачи к турбине воздуха с повышенным давлением воздух их теплообменника удаляется принудительно за счет уменьшения порционного объема при выпуске воздуха из нагревателя.