ПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1994 года по МПК F22B1/26 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в самых различных отраслях народного хозяйства, в которых основными требованиями являются высокая надежность работы, независимость (автономность) паро-водотеплоснабжения от источника энергии, в частности, электрической и высокие экологические показатели.

Известно техническое решение (авт.св. N 1002748, кл. F 24 J 3/02, F 04 F 5/14, 1983). В соответствии с аналогом установка для водотеплоснабжения содержит коллектор солнечной энергии, снабженный механизмом поворота, насос в виде инжектора, связанный с источником воды и потребителем, причем жидкостное сопло инжектора подключено к источнику воды, паровое - к выходу коллектора, а вход последнего связан с выходом инжектора.

Таким образом, сутью технического решения аналога является то, что подъем воды из источника и ее нагрев с образованием пара осуществляется за счет солнечной энергии, которая с помощью зеркальных отражателей нагревает воду в коллекторе. В результате образующийся пар, поступая в инжектор, осуществляет подсос воды из источника с последующим ее нагревом при смешении и подачей потребителю. Преимуществами технического решения по аналогу являются высокие экологические показатели и независимость работы установки от источника электрической энергии.

Однако недостатками аналога являются низкая надежность установки из-за использования сложной системы зеркальных отражателей и нестабильность функционирования, обусловленная переменчивостью погодных условий. В частности, осаждающаяся на зеркальных отражателях пыль значительно снижает эффективность преобразования солнечной энергии в тепло, нагревающее воду солнечного коллектора. Малой надежностью обладает система регулирования положения отражателей в пространстве для обеспечения должной фокусировки. Кроме того, время работы установки ограничено количеством солнечных часов как в течение суток, так и в течение более продолжительного времени.

Недостатки аналога устраняются в техническом решении, принятом за прототип. В техническом решении (прототипе) образование пара производится в парогенераторе, содержащем погруженную в воду форсунку, в которую по патрубкам подвода поступают кислород и водород. Благодаря электрической системе зажигания происходит горение кислородно-водородной смеси. Это позволяет нагреть воду, поступающую в парогенератор и окружающую форсунку. Отвод пара производится по трубопроводу отвода пара. Надежность работы парогенератора обеспечивается за счет того, что зона повышенной температуры вблизи форсунки "отсечена" от стенок парогенератора объемом воды, окружающей форсунку.

В результате гарантируется отсутствие прогара металла конструкции из-за действия высоких температур в результате сгорания водорода в кислороде. Отсутствие перегрева воды обеспечивается непрерывным поступлением воды в парогенератор. Вместе с тем техническое решение по прототипу не обеспечивает достаточно высоких экологических показателей парогенератора, так как сгорание водорода в кислороде происходит неоптимально, т.е. при отсутствии стехиометрического процесса горения.

В результате отводимый из парогенератора пар может содержать примеси либо кислорода, либо водорода. И то, и другое может приводить к нежелательным экологическим последствиям: перенасыщение окружающей среды водородом или кислородом. Последнее чревато либо возможностью образования гремучей смеси, либо возгоранием предметов окружающей среды соответственно. Неоптимальность сгорания водорода в кислороде обусловлено тем, что изменение внешних условий (температуры и давления окружающей среды, сопротивления в патрубках подвода и др.) может изменять соотношение расходов между кислородом и водородом, поступающими в форсунку парогенератора.

Задачей изобретения является достижение высоких экологических показателей парогенератора за счет обеспечения и поддержания оптимальности режима горения водорода в кислороде с помощью погруженной в воду форсунки, подсоединенной через специальные патрубки к специальным резервуарам.

Решение поставленной задачи реализуется в парогенераторе, содержащем основную пароводяную емкость с трубопроводом отвода пара и погруженную в воду основную двухканальную форсунку, подключенную одним каналом через патрубок подвода кислорода к источнику кислорода и другим каналом через патрубок подвода водорода к источнику водорода, причем парогенератор снабжен по меньшей мере одной дополнительной емкостью с дополнительной двухканальной погружной форсункой и дополнительными патрубками подвода, а основные и дополнительные патрубки подвода кислорода и водорода снабжены запорными органами и жиклерами, площади проходных сечений которых относятся соответственно как 2:1, и источники кислорода и водорода выполнены в виде резервуаров, объемы которых включая патрубки подводов относятся соответственно как 1:2, а резервуары объединены общей системой наддува инертным газом.

Достижение высоких экологических показателей парогенератора обеспечивается реализацией стехиометрического горения водорода в кислороде в объеме воды. Получаемая в результате дополнительная порция воды обладает высоким качеством и при специально подготовленном исходном объеме воды в резервуарах позволяет получать пар высокого качества как с точки зрения потребительских показателей, так и с точки зрения показателей надежности: отсутствие примеси водорода и кислорода в воде исключает возможность взрыва или разгара металлоконструкций.

Заявителю не известны технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, что позволяет считать данное изобретение патентоспособным.

На чертеже показан предлагаемый парогенератор. Парогенератор содержит основную емкость 1, погруженную в воду основную двухканальную форсунку 2, патрубок подвода кислорода 3, патрубок подвода водорода 4, источник кислорода 5, источник водорода 6, общую систему наддува инертным газом 7, дополнительную емкость 8, дополнительную двухканальную погружную форсунку 9, патрубок подвода кислорода 10, патрубок подвода водорода 11, жиклеры 12-15, запорные органы 16-19, трубопроводы отвода пара 20-21, системы зажигания 22-23 кислородно-водородной смеси, паровое (активное) сопло 24 эжектора 25, потребитель горячей воды 26 и источник воды 27, запорные органы 28-29.

Работа парогенератора, схематично представленного на чертеже, осуществляется следующим образом. При полном заполнении водой основной емкости 1 и дополнительной емкости 8 происходит запуск и парогенератора. При одновременном открытии запорных органов 16 и 17, установленных в патрубках подвода 3 и 4, начинается поступление из источников 5 и 6 под действием давления инертного газа общей системы наддува 7 соответственно кислорода и водорода в форсунку 2, на выходе которой осуществляют с помощью системы 22 зажигание кислородно-водородной смеси стехиометрического соотношения, что обеспечивается, главным образом, соотношением площадей проходных сечений жиклеров 12 и 13 как 2:1, а также объемов резервуаров 5 и 6 как 1:2. Горение стехиометрической смеси приводит к образованию дополнительного объема воды в емкости 1, а также повышению температуры и давления рабочей среды в нем. По достижению требуемых параметров нагреваемой воды по температуре и давлению открывают запорный орган 29, установленный в трубопроводе 20 отвода пара, и осуществляют полезное использование генерируемого пара.

Непрерывное горение водородно-кислородной смеси стехиометрического состава приводит к непрерывному повышению температуры воды в основной емкости 1 при условии, что дополнительно образующаяся порция воды в результате процесса горения в равном количестве выходит из емкости 1. Реализация указанного условия полезна тем, что в этом случае нет необходимости в дополнительной подпитке парогенератора водой и форсунка при этом полностью погружена в воду. При достижении в емкости 1 заданного предела температуры производят автоматическое открытие запорных органов 18,19 и 28 с одновременным закрытием запорных органов 16,17 и 29. При этом прекращается поступление кислорода и водорода в форсунку 2 и напротив кислород и водород соответственно по патрубкам 10 и 11 через жиклеры 14 и 15 поступают в форсунку 9 и с помощью системы 23 производят зажигание кислородно-водородной смеси стехиометрического состава. При этом генерируемый пар отводится к потребителю по трубопроводу отвода 21. Происходит нагрев воды в дополнительной емкости 8. Время осуществления указанного переключения процесса горения с основной емкости 1 в дополнительную емкость 8 может регулироваться в зависимости от требований по непрерывности подачи пара заданных параметров к потребителю. Возможен вариант одновременной работы двух емкостей 1 и 8 в течение некоторого времени, когда температура в исходной емкости 1 не достигла заданного предела, а в емкости 9 - режим прогрева общего объема воды еще не достиг рабочего уровня. В указанном варианте работы парогенератора при открытых запорных органах 29,16-19; запорный орган 28 - закрыт.

Реализация парогенератора, представленного на чертеже, может быть осуществлена с использованием общетехнических средств и систем, не требует специального оборудования. В частности, в качестве потребителя пара может служить паровое (активное) сопло 24 эжектора 25, связанного с источником воды 27 и потребителем горячей воды 26. В качестве эжектора 25 может быть использован инжектор-конденсатор паротурбинной установки (авт.св. N 905517, 1976, кл. F 04 F 5/24). В этом случае пар поступает по трубопроводу отвода пара 20 (или 21) в количестве, которое равно по массе воде, дополнительно образующейся при горении стехиометрической кислородно-водородной смеси. Пар поступает в паровое (активное) сопло 24 эжектора 25. При этом в жидкостном (пассивном) сопле эжектора 25 создается разрежение, что приводит к подъему воды из источника 27, ее смешению с паром в диффузорной части эжектора 25 и поступлению горячей воды к потребителю 26.

Назначение емкостей 1 и 8, полностью заполненных водой, сводится к снижению температуры горения стехиометрической кислородно-водородной смеси до приемлемых с точки зрения безопасной эксплуатации парогенератора значений. Уровень температуры зависит от объема емкости и количества сжигаемого водорода в единицу времени. Так, например, при стехиометрическом сжигании 0,1 кг/с водорода объем емкости 1 должен быть не менее 100 л по объему воды с тем, чтобы средняя температура пароводяной смеси в емкости 1 поддерживалась на уровне не выше 350^оС в течение не менее 10 с. Для уменьшения колебаний температуры горячей воды, подаваемой к потребителю 25, можно увеличить количество емкостей: чем больше их количество, тем меньше упомянутые колебания температур.

Использование изобретения позволит повысить экологические показатели при тепловодоснабжении, что особо полезно при аварийном подключении к штатным теплогенераторам при их выходе, например, из строя.

Следует подчеркнуть, что стехиометрическое горение водорода в кислороде позволяет помимо получения высоких экологических показателей полностью использовать химический потенциал водорода, что исключено в известных паровых котлах и устройствах. При этом установление указанного соотношения (1: 2) объемов кислородного и водородного резервуаров важно для надежного поддержания одинаковых условий по давлению при расходовании кислорода и водорода в процессе работы парогенератора.

Использование: в автономных системах паро-водоснабжения. Сущность изобретения: парогенератор содержит две пароводяные емкости 1 и 8 с погруженными в них двухканальными форсунками 2 и 9, снабженными патрубками подвода кислорода 3 и 10 и водорода 4 и 11, подключенными соответственно к резервуарам с кислородом 5 и водородом 6, объемы которых относятся, включая патрубки подвода, как 1:2, при этом резервуары 5 и 6 объединены общей системой наддува инертным газом 7, а патрубки 3,10,4 и 11 снабжены соответственно запорными органами 16,18,17,19 и жиклерами 12,14,13,15, причем площади проходных сечений жиклеров патрубков подвода кислорода 12,14 и водорода 13,15 относятся соответственно как 2:1. 1 ил.

ПАРОГЕНЕРАТОР, содержащий основную пароводяную емкость и погруженную в воду основную двухканальную форсунку, сообщенную одним каналом через патрубок подвода кислорода с источником кислорода и другим каналом через патрубок подвода водорода с источником водорода, отличающийся тем, что парогенератор снабжен по меньшей мере одной дополнительной пароводяной емкостью и дополнительной двухканальной погружной форсункой с патрубками подвода кислорода и водорода, при этом патрубки подвода кислорода и водорода основной и дополнительной форсунок снабжены запорными органами и жиклерами, источники кислорода и водорода выполнены в виде резервуаров, объемы которых, включая патрубки подвода, относятся соответственно как 1 : 2, а резервуары объединены общей системой наддува инертным газом, причем площади проходных сечений жиклеров патрубков подвода кислорода и водорода относятся соответственно как 2 : 1.