ТУРБОНАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗА Российский патент 1995 года по МПК F25B11/00 F24H3/02 

Изобретение относится к преобразователям энергии перепада давления в теплоту и может использоваться на газораспределительных станциях (ГРС) при редуцировании природного газа перед подачей его на регуляторы давления.

Известны преобразователи энергии перепада давления потока газа в теплоту, используемые для нагрева газа перед регуляторами давления на ГРС (авт. св. СССР N 409205, кл; G 05 D 16/06, опубл. 30.11.1973; авт. св. СССР N 441552, кл. G 05 D 16/10, опубл. 30.08.1974; авт. св. СССР N 750444, кл. G 05 D 16/06, опубл. 23.07.1980), представляющие вихревые трубы различной конструкции. Достоинством известных преобразователей является простота их конструкции.

Недосткатком преобразователей является то, что вихревые трубы обладают невысокой эффективностью преобразования энергии перепада давления в теплоту и не позволяют даже восстановить температуру нагреваемого газа до начальной температуры (перед вихревой трубой).

Указанный недостаток снижает надежность работы регуляторов давления газа, скомпонованных с вихревыми трубами, из-за обмерзания регулирующих клапанов.

Известны аэродинамические нагреватели, (авт. св. СССР N 487290, кл. F 27 D 7/00, опубл. 05.10.1975; авт. св. СССР N 533649, кл. С 21 D 9/00; F 27 D 7/00, опубл. 30.10.1976; авт. св. СССР N 1224512, кл. F 24 H 3/02, опубл. 15.04.1986), в которых подвод теплоты к нагреваемому потоку газообразной среды (воздуха) осуществляется путем аэродинамического торможения о поток рециркулирующего газа (воздуха) ротора, приводимого во вращение электродвигателем.

Достоинством аэродинамических нагревателей является высокая эффективность преобразования механической энергии вращения ротора (мощности на валу) в теплоту, передаваемую нагреваемому потоку.

Недостатком указанных нагревателей является необходимость во внешнем приводе (электроприводе), что резко снижает их энергетическую эффективноcть (так как в них не используется энергия перепада давления для привода ротора) и затрудняет их использование на ГРС. Кроме того, указанные конструкции обладают сложным и ненадежным механизмом регулирования температуры нагреваемой среды, не обеспечивающим достаточную герметичность корпуса.

Наиболее близким к изобретению является техническое решение, в котором преобразование энергии перепада давления потока газа в механическую энергию вращения осуществляется в турбине, на одном валу с которой размещен компрессор. В компрессоре происходит частичное восстановление температуры и давления потока газа, проходящего через турбодетандер.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность преобразования механической энергии вращения турбины в теплоту, т.е. при работе турбодетандера температура компримирующего газа не достигает первоначального (на входе) уровня температуры. Это обусловлено конструктивными особенностями компрессора, в котором невелики потери от аэродинамического трения (отсутствует рециркуляция газа) и значительная часть энергии сработанного в турбине перепада давления в компрессоре используется на повышение давления потока газа.

К числу недостатков прототипа можно отнести также отсутствие конструктивных решений по регулированию температуры потока газа.

Цель изобретения повышение эффективности преобразования энергии редуцируемого газа в теплоту, передаваемую потоку газа и повышение надежности регулирования температуры газа.

Цель достигается тем, что на валу турбины, в которой срабатывается перепад давлений редуцируемого газа, размещается ротор аэродинамического нагрева, турбина и ротор соединены диффузором и размещены в одном корпусе, на общем валу размещен центробежный регулятор температуры, клапан которого перекрывает соосный ему выходной газовый патрубок турбонагревателя.

В предлагаемом турбонагревателе газа повышение эффективности преобразования энергии перепада давления в теплоту достигается благодаря следующим конструктивным особенностям:
проточная часть корпуса между турбиной и ротором выполнена в виде диффузора, в котором происходит восстановление температуры газа после редуцирования в турбине;
ротор аэродинамического нагрева выполнен с разделительным диском и с двусторонним подводом нагреваемого газа в проточную часть ротора, это позволяет повысить степень рециркуляции газа, омывающего ротор и, следовательно, эффективность преобразования энергии вращения ротора в теплоту;
соосное расположение выходного патрубка нагреваемого газа, клапана, перекрывающего выходное отверстие патрубка и ротора позволяет интенсифицировать рециркуляцию нагреваемого газа в зоне, прилегающей к выходному патрубку и позволяет направлять на рециркуляцию более холодный поток газа, прилегающий к оси клапана, что повышает изотермичность потока газа.

Повышению надежности регулирования температуры нагреваемого газа способствует размещение на общем валу турбонагревателя центробежного регулятора температуры, клапан которого перекрывает соосный ему выходной патрубок нагревателя. Установка регулятора внутри корпуса турбонагревателя повышает его герметичность и предотвращает утечки газа, а также уменьшает инерционность регулирования ввиду отсутствия излишних промежуточных звеньев (преобразователей, задатчиков, исполнительных механизмов). Для обеспечения заданной температуры регулятор температуры комплектуется возвратной пружиной, упругость которой обратно пропорциональна температуре нагреваемого газа.

На чертеже представлен турбонагреватель газа, продольный разрез (по оси аппарата).

Турбонагреватель состоит из корпуса 1, на котором размещены тангенциально расположенный входной патрубок 2 и выходной патрубок 3. Причем выходной патрубок 3 расположен соосно валу 4, на котором закреплены турбина 5 и ротор 6 нагревателя. На валу размещен также центробежный регулятор температуры 7, клапан которого 8 перекрывает седло выходного патрубка 3. Перемещение клапана 8 в пусковое, нормально закрытое положение, осуществляется возвратной пружиной 9. Особенностью конструкции возвратной пружины 9 является то, что ее упругость (усилие растяжения вдоль оси пружины) обратно пропорционально температуре материала пружины.

Проточная часть корпуса 1 турбонагревателя между турбиной 5 и ротором 6 (по ходу редуцируемого газа) выполнена в виде диффузора 10. А ротор 6 имеет разделительный диск 11, на котором закреплены лопатки 12 ротора.

Турбонагреватель работает следующим образом.

Редуцируемый газ из подводящего газопровода поступает через входной патрубок 2 в корпус 1, в улиточный направляющий аппарат, и затем проходит через лопаточный набор турбины 5, приводя ее во вращение. При этом преобразование энергии перепада давления газа в механическую энергию вращения турбины приводит к снижению давления и температуры потока газа. Расширение и торможение потока газа в диффузоре 10 способствует повышению температуры потока газа после турбины 5. Из диффузора 10 поток газа поступает в ротор 6, при взаимодействии с которым происходит дальнейшее повышение температуры потока газа. Так как ротор 6 и турбина 5 расположены на одном валу, то вся энергия перепада давления потока газа (за исключением потерь в подшипниках), воспринятая турбиной, передается ротору. Скорость вращения ротора ограничивается аэродинамическим торможением ротора о поток рециркулирующего газа, поступающего к ротору с двух сторон как со стороны турбины, так и со стороны выходного патрубка. Пpи этом происходит аэродинамический разогрев ротора и за счет теплообмена ротора и потока газа нагрев потока газа, проходящего через ротор. Конструкцией нагревателя предусмотрена интенсивная рециркуляция потока нагреваемого газа в зоне между ротором и выходным патрубком, обеспечивающая повышение эффективности нагрева.

Наличие разделительного диска 11 позволяет исключить транзитные (минуя лопатки 12 ротора) перетоки газа из диффузора 10 в зону выходного патрубка 3 и наоборот. Поток более холодного газа, отраженный диском клапана 8 в осевую часть корпуса, вновь захватывается лопатками 12 и перемещается ими в периферийную, более нагретую часть потока, примыкающую к стенке корпуса. Нагретый поток газа, перемещающийся в пристенном слое, между диском клапана 8 и седлом выходного патрубка 3 поступает в патрубок 3 и направляется на регуляторы давления газа.

Регулирование температуры потока газа осуществляется следующим образом. Особенностью конструкции центробежного регулятора температуры 7 является то, что возвратная пружина 9, воздействующая на клапан 8, выполнена из материала с обратно пропорциональной зависимостью силы ее упругости от температуры в рабочем диапазоне турбонагревателя. При повышении температуры газа, омывающего ротор 6, и регулятор 7 и пружину 9, уменьшает ее упругость и под действием осевой составляющей центробежной силы грузов регулятора клапан 8 переместится влево, перекрывая сечение выходного патрубка 3 и уменьшая расход, перепад давления (число оборотов ротора) и, следовательно, температуру нагрева газа. При снижении температуры газа ниже заданного уровня сила упругости пружины возрастает и клапан 8 будет ею перемещаться вправо, увеличивая сечение для выхода газа и, следовательно, расход (число оборотов ротора) и температуру нагрева газа. Тем самым осуществляется регулирование температуры нагрева газа, проходящего через турбонагреватель.

Кроме того, центробежный регулятор 7 выполняет функции ограничителя предельного числа оборотов ротора турбонагревателя, избегая работы "вразнос".

Указанные конструктивные отличия регулятора температуры и турбонагревателя позволяют повысить надежность регулирования температуры нагреваемого газа. Это обеспечивается простотой и малой материалоемкостью регулятора, небольшой инерционностью системы ввиду отсутствия промежуточных связей и устройств.

Таким образом, предлагаемый турбонагреватель, благодаря указанным конструктивным отличиям, повышает эффективность преобразования энергии перепада давления газа в теплоту. При этом повышается надежность регулирования температуры газа. Все это позволяет, при применении турбонагревателя на ГРС, повысить надежность (безотказность) регулирующей арматуры ГРС вследствие предотвращения обмерзания регулирующих клапанов.

Использование: на газораспределительных станциях (ГРС) при редуцировании природного газа перед подачей его на регуляторы давления. Сущность изобретения: на валу турбины, в которой срабатывается перепад давлений редуцируемого газа, размещается ротор аэродинамического нагрева; турбина и ротор соединены диффузором и размещены в одном корпусе, на общем валу размещен центробежный регулятор температуры, клапан которого перекрывает соосный ему выходной газовый патрубок турбонагревателя. 1 ил.

ТУРБОНАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗА, состоящий из турбины и преобразователя энергии вращения турбины в тепловую энергию, размещенных на одном валу и расположенных в одном корпусе, отличающийся тем, что преобразователь энергии вращения в теплоту выполнен в виде ротора аэродинамического нагрева с двусторонним подводом газа к его лопаткам, закрепленным на сплошном разделительном диске, проточная часть корпуса между турбиной и ротором выполнена в виде диффузора, соосно с ротором в корпусе расположен выходной патрубок нагреваемого газа, проходное сечение которого перекрывается регулирующим клапаном с центробежным регулятором температуры, расположенным на валу ротора, причем возвратная пружина центробежного регулятора выполнена таким образом, что ее упругость обратно пропорциональна температуре нагреваемого газа.