АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1996 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии путем утилизации теплоты различных низкопотенциальных природных источников, например геотермальных или искусственных, образующихся, например, при сжигании древесных отходов на лесозаготовках.

Известна электроэнергетическая установка с низкопотенциальным источником теплоты, содержащая корпус с крышкой и внутренней горизонтальной опорой, турбину с паровпуском и выхлопным патрубком и электрический генератор, размещенные в корпусе над опорой и связанные между собой роторами, оси которых расположены вертикально, насос с рабочим колесом, входным патрубком и выходным патрубком, соединенным с входом парогенератора, выход которого соединен с паровпуском турбины, конденсатор с теплообменником и конденсатосборником жидкой фазы рабочего тела цикла, клеммы подключения потребителя электроэнергии, связанные с электрическим генератором через преобразователь, блок запуска и блок регулирования.

Эта установка является наиболее близкой к предлагаемому изобретению, но из-за ряда конструктивных особенностей не обеспечивает оптимальных значений КПД отдельных своих узлов и всего цикла в целом, а также надежности работы насосного агрегата и системы регулирования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, повышение экономичности и надежности установки при работе с низкопотенциальным источником теплоты.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, обеспечение различных чисел оборотов турбины электрогенераторов и насоса, а также обеспечение различных выходных частот электрического тока без использования трансформатора.

Указанный технический результат достигается тем, что в автономном источнике электрической энергии с низкопотенциальным источником теплоты, содержащем корпус с крышкой и внутренней горизонтальной опорой, над которой размещены связанные между собой посредством роторов электрический генератор и турбина с паровпуском и выхлопным патрубком, а также насос с рабочим колесом и входным и выходным патрубками, парогенератор, конденсатор с теплообменником и конденсатосборником, преобразователь и блоки запуска и регулирования, при этом парогенератор входом и выходом подсоединен соответственно к выходному патрубку насоса и паровпуску турбины, теплообменник конденсатора подсоединен к выхлопному патрубку турбины и конденсатосборнику, а электрический генератор через преобразователь и блоки запуска и регулирования посредством клемм подключен к потребителю электроэнергии, установлен дополнительный электрогенератор, при этом валы роторов турбины и насоса установлены вертикально, а валы роторов электрогенераторов горизонтально, причем опоры валов электрогенераторов закреплены на внутренней горизонтальной опоре, насос и конденсатосборник размещены в корпусе под горизонтальной опорой, парогенератор и теплообменник конденсатора вне корпуса, соответственно в зонах источника и приемника теплоты, а роторы турбины электрогенераторов и насоса связаны между собой посредством конической зубчатой передачи.

Наличие двуходового регулирующего клапана обеспечивает пропуск рабочего тела через основной паропровод на турбину или через обводный паропровод помимо турбины в конденсатор.

Проведенные расчеты установок малой мощности для различных рабочих тел показали, что максимальное значение КПД цикла можно обеспечить в большинстве случаев только при различных числах оборотов основных элементов установки. Применение схемы с взаимно перпендикулярным расположением роторов позволяет реализовать конструкцию с различным числом оборотов генератора насоса и турбины, причем здесь возможны различные комбинации генератор-турбина, насос; генератор, турбина-насос. В предложенной схеме вместо фальшвала можно установить второй генеpатоp с другой выходной частотой электрического тока. Так, например, на лесозаготовках днем работает второй генератор и обеспечивает промышленную частоту в 400 Гц для электроинструмента, вечером работает первый генератор и обеспечивает бытовые потребности электрическим током в 50 Гц. Во многих случаях для обеспечения безкавитационной работы насоса необходимо на входном патрубке обеспечить гарантированный подпор столбом жидкости. Это требование наиболее просто может быть реализовано изменением конструкции корпуса установки организацией в нижней его части цилиндрической шахты, в которую помещается насос, подшипниковая опора (одна или обе) и ротор насоса.

На чертеже приведена принципиальная конструктивная схема предлагаемого устройства.

Корпус 1 с внутренней горизонтальной опорой 2 снабжен крышкой 3. Между корпусом и крышкой установлена глухая съемная перегородка 4, отделяющая камеру с нормальным атмосферным давлением (выше перегородки) от камеры с давлением, равным давлению в конденсаторе (ниже перегородки).

Турбина 5 с паровпуском и выхлопным патрубком и генератор 6 связаны между собой своими роторами 7 и 8 с помощью конических зубчатых колес, насос 9 с рабочим колесом, входным и выходным патрубком размещен под горизонтальной опорой, рабочее колесо насоса установлено на собственно роторе 10, который связан с роторами турбины и генератора коническим зубчатым колесом, причем оси роторов турбины, генератора и насоса расположены взаимно перпендикулярно, соосно с генератором установлен на своих подшипниках фальшвал 11, связанный коническим зубчатым колесом с ротором турбины и насоса, парогенератор 12 размещен вне корпуса в области источника теплоты и связан с выходным патрубком насоса и входным патрубком турбины трубопроводами 13 и 14.

Теплообменник конденсатора 15 размещен вне корпуса в области приемника теплоты и связан с выхлопным патрубком турбины и конденсатосборником 16. Конденсатосборник 16 расположен в нижней части корпуса и выполнен в виде цилиндра, поперечное сечение которого намного меньше поперечного сечения корпуса. Клеммы 19 подключения потребителя электроэнергии размещены на наружной стороне корпуса 1 и связаны с генератором 6 через преобразователь 20. В завсимости от соотношения между характеристиками генератора и потребителя электроэнергии преобразователь 20 обеспечивает или выпрямление тока, или изменение его частоты и т.п. Блок запуска 21 установки предназначен для ввода установки в режим в начале работы. Блок регулирования 22 при изменении давления в магистрали 23 воздействует на приводной механизм 24 двухходового регулирующего клапана 25, меняя соотношения расходов рабочего тела между основным паропроводом 26 и обводным паропроводом 27 турбины.

Автономный источник электрической энергии работает следующим образом.

Перед эксплуатацией установки из камеры, образуемой корпусом 1 и перегородкой 4, должен быть откачан воздух, давление в этой камере должно быть приблизительно равно давлению паров рабочего тела при температуре насыщения, определяемого для каждого случая расчетным путем.

При помещении парогенератора 12 в источник теплоты рабочее тело испаряется, образующийся пар по трубопроводу 14 поступает в двухходовый регулирующий клапан 25 и через основной трубопровод 26 к турбине 5. Обводной трубопровод 27 в этот момент закрыт. Пар приводит во вращение ротор 7 турбины и связанные с ним коническими зубчатыми колесами ротор 8 генератора и ротор 10 насоса. Вырабатываемая в результате этого электроэнергия поступает к потребителю через преобразователь 20 и клеммы 19.

Отработавший в турбине пар через трубопровод 17 поступает в теплообменник 15, где конденсируется, отдавая теплоту наружному преемнику теплоты, образовавшийся конденсат поступает по трубопроводу 18 в нижнюю часть корпуса 1 и конденсатосборник 16, насос 9, рабочее колесо которого закреплено на роторе 10, который связан коническим зубчатым колесом с ротором турбины 7, забирает жидкость через свой входной патрубок из конденсатосборника 16 и направляет ее по трубопроводу 13 опять в парогенератор 12.

Блок запуска 21 обеспечивает начало циркуляции рабочего тела через парогенератор 12 при включении установки в работу, когда мощности турбины недостаточно для привода насоса 9, при этом используется внешний источник энергии (на чертеже не показан).

Блок регулирования 22 обеспечивает работу установки при любой нагрузке с заданной частотой вращения.

При увеличении частоты вращения (например, при сборке нагрузки) возрастает давление рабочего тела в выходном патрубке насоса 9, через магистраль 23 это увеличение давления передается блоку регулирования 22, который в свою очередь воздействует через приводной механизм 24 на двухходовый регулирующий клапан 25 таким образом, что прикрывается основной паропровод 26 и больше открывается 27. При увеличении внешней нагрузки (частота вращения падает) прикрывается обводной паропровод 27 и больше открывается основной паропровод 26.

Использование: в теплоэнергетике для получения электрической энергии путем утилизации теплоты различных низкопотенциальных природных источников, например геотермальных. Сущность изобретения: корпус 1 с внутренней горизонтальной опорой 2 снабжен крышкой 3. Между корпусом 1 и крышкой 3 установлена глухая съемная перегородка 4, отделяющая камеру с нормальным атмосферным давлением (выше перегородки) от камеры с давлением, равным давлению в конденсаторе. Турбина 5 с паровпуском и выхлопным патрубком и генератор 6 связаны между собой своими роторами 7 и 8 с помощью зубчатых колес. Насос 9 с рабочим колесом, входным и выходным патрубками размещен под горизонтальной опорой. Рабочее колесо насоса установлено на собственном роторе 10, который связан с роторами турбины и генератора 6 коническим зубчатым колесом, причем оси роторов турбины 5, генератора 6 и насоса 9 расположены взаимно перпендикулярно. Соосно с генератором установлен фальшвал 11, связанный коническим зубчатым колесом с роторами турбины 5 и насоса 9. Парогенератор 12 размещен вне корпуса в зоне источника теплоты и связан с выходным патрубком насоса 9 и входным патрубком турбины 5 трубопроводами 13 и 14. Теплообменник конденсатора 15 размещен вне корпуса в зоне приемника теплоты и связан с выхлопным патрубком турбины и конденсатосборником 16 гибкими трубопроводами 17 и 18. Конденсатосборник 16 расположен в нижней части корпуса и выполнен в виде цилиндра, поперечное сечение которого намного меньше поперечного сечения корпуса. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ с низкопотенциальным источником теплоты, содержащий корпус с крышкой и внутренней горизонтальной опорой, над которой размещены связанные между собой посредством роторов электрический генератор и турбина с паровпуском и выхлопным патрубком, а также насос с рабочим колесом и входным и выходным патрубками, парогенератор, конденсатор с теплообменником и конденсатосброником, преобразователь и блоки запуска и регулирования, при этом парогенератор входом и выходом подсоединен соответственно к выходному патрубку насоса и паровпуску турбины, теплообменник конденсатора подсоединен к выхлопному патрубку турбины и конденсатосборнику, а электрический генератор через преобразователь и блоки запуска и регулирования посредством клемм подключен к потребителю электроэнергии, отличающийся тем, что он содержит дополнительный электрогенератор, валы роторов турбины и насоса установлены вертикально, а валы роторов электрогенераторов горизонтально, причем опоры валов электрогенераторов закреплены на внутренней горизонтальной опоре, при этом насос и кондесатосборник размещены в корпусе под горизонтальной опорой, парогенератор и теплообменник конденсатора - вне корпуса соответственно в зонах источника и приемника теплоты, а роторы турбины, электрогенераторов и насоса связаны между собой посредством конической зубчатой передачи. 2. Источник электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что турбина снабжена обводным паропроводом с регулирующим клапаном.