паротурбинная мультитеплотрубная установка

Формула изобретения

Паротурбинная мультитеплотрубная установка, включающая расположенные по ходу движения пара испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность торцов которых покрыта решеткой из полос пористого материала, соединенных с крышкой сепарационной секции, вверху которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, а снизу устроен каплеотбойник, рабочую камеру, в которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, соединенный снаружи с рабочим органом, конденсационную камеру, состоящую из распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены вертикальные конденсационные гильзы, внутренняя поверхность торцов которых покрыта решеткой из полос пористого материала, соединенной с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, ротор которого соединен с валом колеса силовой турбины, а напорный патрубок соединен трубопроводом с распределительным коллектором, отличающаяся тем, что в испарительной камере внутренняя боковая поверхность испарительных гильз, крышки, боковых стенок и конусного днища сепарационной секции покрыты решеткой из полос пористого материала, в днище после каплеотбойника устроен паровой патрубок, рабочая камера выполнена в виде корпуса силовой турбины и снабжена патрубком входа пара высокого давления, через который она соединяется трубопроводом с паровым патрубком испарительной камеры, и патрубком выхода отработавшего пара, внутри которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, через крышку конденсационной камеры пропущен вал питательного насоса коаксиально валу колеса силовой турбины и жестко соединен с ним, сама крышка снабжена входным патрубком отработавшего пара, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара рабочей камеры, а боковая поверхность конденсационных гильз покрыта решеткой из полос пористого материала, соединенной с массивом фитиля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.

Известен коаксиальный теплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, снабженную каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочую камеру в форме цилиндрической трубы с кольцевым буртиком и винтом на наружной поверхности, внутри которой помещены коаксиально силовые турбины, конденсационную камеру, соединенную с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, состоящую из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя питательный насос, соединенный с испарительной камерой напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой, и конденсационной зоны, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем и решеткой из тонкого слоя пористого материала на внутренней поверхности торцевой стенки [Патент РФ № 2320878 F01K 17/00, 2008].

Основными недостатками известного коаксиального теплотрубного двигателя является размещение ротора насоса на наружной поверхности корпуса и незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами, что усложняет его конструкцию и ограничивает мощность.

Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос и соединенных с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которой покрыта полосами того же пористого материала, поверхность боковых стенок покрыта фитилем, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, и каплеотбойник, соединенный через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально силовые турбины, которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, состоящей из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней боковой поверхностью, покрытой полосами, а торца - решеткой из пористого материала, и соединенными с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод с распределительным коллектором в испарительной камере [Патент РФ № 2379526 F01K 25/00, F28D 15/02, 2010].

Основными недостатками известного коаксиального мультитеплотрубного двигателя являются: соединение рабочей камеры с испарительной и конденсационной камерами через кольцевые уплотнения, что ограничивает величину давления пара, при котором работает устройство, и снижает его герметичность, невозможность размещения испарительной и конденсационной камер на удалении друг от друга, что ограничивает область применения устройства и, в конечном итоге, уменьшает его надежность и эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и эффективности паротурбинной мультитеплотрубной установки.

Технический результат достигается в паротурбинной мультитеплотрубной установке, которая содержит: расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала, и соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность боковых стенок и конусного днища которой покрыты решеткой из полос пористого материала, причем вверху сепарационной секции расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, а снизу помещен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок; рабочую камеру, выполненную в виде корпуса силовой турбины, снабженную патрубком входа пара высокого давления, через который она соединяется трубопроводом с паровым патрубком испарительной камеры, и патрубком выхода отработавшего пара, внутри которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, соединенный снаружи с рабочим органом; конденсационную камеру, состоящую из распределительной секции, крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара рабочей камеры, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала, соединенной с массивом фитиля, причем в центре массива фитиля устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, ротор которого насажен на вал, пропущенный через крышку конденсационной камеры коаксиально валу колеса силовой турбины, и жестко соединенный с ним, а напорный патрубок соединен трубопроводом с распределительным коллектором.

На фиг.1 представлен общий вид; на фиг.2-5 - разрезы; на фиг.6 и 7 - узлы предлагаемой паротурбинной мультитеплотрубной установки (ПТМТТУ).

ПТМТТУ содержит: расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, состоящую из вертикальных испарительных гильз 2, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала 3, и соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища которой покрыты решеткой из полос пористого материала 3, причем вверху секции 4 расположен распределительный коллектор 5, снабженный форсунками 6, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 2, а снизу размещен каплеотбойник 7, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, под которым устроен паровой патрубок 8; рабочую камеру 9, выполненную в виде корпуса силовой турбины 10, снабженную патрубком входа пара высокого давления 11, через который она соединяется трубопроводом (на фиг.1-7 не показан) с паровым патрубком 8 испарительной камеры 1, и патрубком выхода отработавшего (мятого) пара 12, внутри которой помещено колесо силовой турбины 13, насаженное на вал 14, соединенный снаружи с рабочим органом (на фиг.1-7 не показан); конденсационную камеру 15, состоящую из распределительной секции 16, крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара 17, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара 12, а днище покрыто массивом фитиля 18 с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 19, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала 3, соединенной с массивом фитиля 18, причем в центре фитиля 18 устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 20, в котором помещен питательный насос 21, ротор которого насажен на вал 22, пропущенный через крышку конденсационной камеры 15 коаксиально валу 14 колеса 13 силовой турбины, и жестко соединенный с ним, а напорный патрубок 23 соединен трубопроводом (на фиг.1-7) с распределительным коллектором 5.

В основе работы предлагаемой ПТМТТУ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117], устройство и принцип действия винтового насоса [Т.М.Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.106].

Предлагаемый ПТМТТУ работает следующим образом.

Предварительно прикрепляют к неподвижным опорам (на фиг.1-7 не показаны) корпус силовой турбины 10 рабочей камеры 9, которую через патрубок 11, трубопровод (на фиг.1-7 не показан) соединяют с патрубком 8 испарительной камеры 1 и с конденсационной камерой 15, обеспечивая жесткое коаксиальное соединение валов 14 и 22, соединяют через патрубки 12 и 17, причем напорный патрубок 23 конденсационной камеры 15 также соединяют трубопроводом (на фиг.1-7 не показан) с коллектором 5 испарительной камеры 1, а выходной торец вала 14 колеса силовой турбины 13 присоединяют к рабочему органу (электрогенератору, насосу, компрессору и т.д.).

Перед началом работы из камер 1, 9, 15 ПТМТТУ удаляют воздух и заполняют фитиль 18, пористый материал решеток 3, цилиндрический резервуар 20, полость питательного насоса 21, напорный трубопровод (на фиг.1-7 не показан) и коллектор 5 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости (на фиг.1-7 не показаны)), после чего ПТМТТУ устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 15 - с холодной.

В результате нагрева испарительных гильз 2 испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности испарительных гильз 2, причем пористый материал решетки 3 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. - М.: 1990, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 21, который, проходя через каплеотбойник 7, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на пористый материал решетки 3, поглощающий эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает через патрубок 8, трубопровод (на фиг.1-7 не показан) и патрубок 11 в корпус 10 рабочей камеры 9 на лопатки колеса силовой турбины 13, вращает их, сообщает вращательное движение валам 22 и 14 и соответственно ротору питательного насоса 21 и вращающий момент М рабочему органу, в результате питательный насос 21 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган производит полезную работу. В полости корпуса 10 рабочей камеры 9 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший мятый пар поступает через патрубки 12 и 17 в конденсационную камеру 15, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 19 за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом решетки 3, фитилем 18 и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 21. Далее рабочая жидкость через напорный трубопровод (на фиг.1-7 не показан), коллектор 5 и форсунки 6 под давлением, создаваемым насосом 21, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1, разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 2, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости на каплеотбойнике 7, и цикл повторяется.

Так как в предлагаемом ПТМТТУ отсутствует соединение рабочей камеры с испарительной и конденсационной камерами через вращающиеся кольцевые уплотнения, то эта особенность его конструкции позволяет повысить давление пара и герметичность устройства, кроме того, испарительную камеру можно устанавливать на значительном расстоянии от рабочей и конденсационной камер и в любой ориентации относительно их в пространстве, что значительно расширяет функциональные возможности ПТМТТУ и, в конечном итоге, повышает его надежность и эффективность.