способ генерирования рабочего пара и паросиловая установка с использованием этого способа

Формула изобретения

1. Способ генерирования рабочего пара, заключающийся в подаче компонентов горения и рабочего тела в герметичный объем для нагревания и отвода рабочего пара к рабочему органу, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют вещество или смесь веществ, в нормальных условиях являющихся паром, а перед использованием - предварительно отвержденными или сжиженными.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело подогревают.

3. Паросиловая установка с использованием способа по п.1 или 2, содержащая баллон с рабочим телом, камеру сгорания и рабочий орган, соединенный с камерой сгорания, отличающийся тем, что камера сгорания и баллон с рабочим телом составляют единую герметичную емкость, а баллон с рабочим телом снабжен испарителем, соединенным с выхлопным отверстием рабочего органа.

4. Паросиловая установка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена автоматической системой управления подачей компонентов горения для поддержания температуры и давления рабочего пара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области транспортных средств и теплоэнергетики, в частности к паросиловым установкам.

Хорошо известны два основных способа генерирования рабочего газа или пара, осуществляемых соответственно в газовых и паровых циклах для получения механической энергии.

Способ генерирования рабочего газа в современных двигателях основан на сжигании топлива внутри сжатого рабочего тела, находящегося в течение всего цикла в газообразном состоянии, далеком от линии насыщения. Недостатком этого способа является то, что газовые циклы внутреннего сгорания обладают большой степенью несовершенности по отношению к обратимому циклу Карно и большой необратимостью из-за высоких температур, а также расходуют часть полученной механической энергии на предварительное сжатие атмосферного воздуха. Следствием этих недостатков является то, что большая часть энергии сгорающего топлива не используется для получения механической энергии и выбрасывается в атмосферу.

Способ генерирования рабочего пара в паровых циклах основан на использовании таких рабочих тел, агрегатное состояние которых в цикле меняется: в одной части цикла рабочее тело находится в жидком состоянии, в другой части - в виде двухфазной смеси (влажного пара), в третьей - в виде перегретого пара. Обычно перегретый пар находится в состояниях, настолько близких к области насыщения, что к нему не применимы законы идеального газа. Подвод энергии сгорающего топлива производится путем теплообмена в котле. Несмотря на то, что использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла свое агрегатное состояние, позволяет осуществить на практике цикл Карно, в этом способе генерирования большая часть энергии сгорающего топлива не подводится к рабочему телу из-за низкого эксергетического коэффициента полезного действия котла.

Известны поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие по газовым циклам Отто, Дизеля и Тринклера, а также газотурбинные установки, работающие по различным газовым циклам. Эти устройства в большей или меньшей степени неэффективны по причинам, присущим способу генерирования рабочего пара, описанному выше.

Известны теплосиловые установки с генерированием рабочего пара из рабочего тела, которое при атмосферном давлении и комнатной температуре находится в жидком состоянии. Эти устройства могут работать по различным циклам, но всех их объединяет наличие в их составе котла, имеющего низкий эксергетический коэффициент полезного действия (Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика, М., Энергоатомиздат, 1983).

Ближайшим техническим решением (прототипом) является парогазовая камера сгорания двигателей (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника: Учебное пособие, М., Высшая школа, 1980).

В этом устройстве реализуется усовершенствованный способ генерирования рабочего газа в цикле газотурбинной установки. Впрыск воды в камеру сгорания понижает максимальную температуру, делая газовый цикл более приближенным к циклу Карно.

В парогазовой камере сгорания через форсунку подается керосин, а через множество отверстий верхней крышки - воздух (или другой окислитель). Горючая смесь поджигается запальным приспособлением. Ниже фронта пламени через систему патрубков с малыми отверстиями на концах впрыскивается вода. После перемешивания с продуктами сгорания образуется парогаз, который подается в турбину или поршневую расширительную машину.

Эффективность парогазовой камеры сгорания по сравнению с газотурбинной установкой несколько улучшается. Однако интервал температур, в котором осуществляется этот цикл, не позволяет получить коэффициент полезного действия, превышающий 0,5. Кроме того, можно предположить, что затруднено изменение режимов работы парогазовой камеры сгорания в сочетании с оптимальной дозировкой топлива и воды при изменении нагрузки в турбине или в поршневой расширительной машине.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования энергии сгорающего топлива в паросиловой установке.

Задача решается за счет того, что в качестве рабочего тела используется вещество или смесь веществ, в нормальных условиях являющихся паром, например азот, кислород, воздух, которое перед использованием предварительно сжижают или отверждают, а топливо сжигают внутри герметичного объема, в котором находится это вещество. Генерированный рабочий пар подается в рабочий орган, например в турбину или в поршневую расширительную машину.

Такой способ генерирования представляет собой внутреннее сгорание в паровом цикле рабочего тела. Причем эффективность этого цикла тем больше, чем ниже температура конденсации вещества рабочего тела. Например, в качестве рабочего тела вполне может использоваться жидкий воздух, температура тройной точки которого 64К. В этом способе вся энергия сгорающего топлива подводится к рабочему телу, а цикл максимально приближен к обратимому циклу Карно. В этом случае коэффициент полезного действия цикла с температурой нагревателя 550°С (823К) равен (823-64)/823=0,92. Такой расчет достаточно точен, несмотря на то, что часть цикла приближена к линии насыщения и не подчиняется законам идеального газа. Но большая часть цикла далека от этой линии и погрешностью в первом приближении можно пренебречь. При температуре 550°С материалы паросиловой установки могут работать без системы охлаждения, а термоизоляция горячих частей обеспечивает снижение необратимости в цикле до пренебрежимо малой величины. Остающаяся в выхлопных газах энергия может быть передана рабочему телу для его испарения и подогрева перед подводом энергии от горящего топлива.

Паросиловая установка, работающая с использованием описанного способа, имеет единую герметичную емкость, образованную камерой сгорания с соединенным с ней баллоном, содержащим рабочее тело, и рабочий орган, например турбину или поршневую расширительную машину.

Для поддержания оптимальных значений температуры и давления рабочего пара имеется автоматическая система управления подачей компонентов горения. Оптимальными значениями считаются: максимальная температура, на которую рассчитаны материалы установки (550°С); давление рабочего пара из расчета запаса прочности конструкций и давления насыщенного пара рабочего тела (для воздуха 350 кг/кв.см).

Система управления представляет собой исполнительный механизм, который, воздействуя на дозаторы компонентов горения, ограничивает или прерывает процесс горения при превышении заданной температуры или давления рабочего пара и вновь зажигает или увеличивает интенсивность горения, когда и давление и температура становятся ниже заданной величины.

На схеме представлен общий вид паросиловой установки.

Паросиловая установка состоит из баллона (1), содержащего рабочее тело в сжиженном виде, камеры сгорания (2) с дозаторами (3), испарителя (4), системы управления (5), в которую входят исполнительный механизм (6) и чувствительные элементы (7), и рабочего органа (8). Баллон (1) и камера сгорания (2) составляют единую герметичную емкость, замкнутую на рабочий орган (8).

Паросиловая установка работает следующим образом. В исходном состоянии, когда впускное отверстие рабочего органа (8) закрыто, баллон (1) заполнен рабочим телом, находящимся в двухфазном состоянии под давлением насыщенного пара, заполняющего также и камеру сгорания (2). При работе рабочего органа (8) впускное отверстие открывается. Насыщенный пар, расходуясь, понижает температуру и давление. Чувствительные элементы (7) подают сигнал на исполнительный механизм (6) для подачи и зажигания компонентов горения. В результате начала генерирования рабочего пара поднимается его температура и давление. При превышении одного из этих параметров состояния рабочего пара сверх заданной оптимальной величины чувствительные элементы (7) уменьшают подачу компонентов горения или прекращают ее совсем. По мере дальнейшего расходования рабочим органом (8) рабочего пара температура и давление падают ниже установленной величины и система управления (5) вновь возобновляет процесс генерирования рабочего пара.

Источники информации

1. Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика. М., Энергоатомиздат, 1983.

2. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника: Учебное пособие, М., Высшая школа, 1980.