ПАРОГАЗОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F02M31/00 

Предлагаемое изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано на поршневых и газотурбинных двигателях и установках, а также на грузовых автомашинах в соединении поршневого двигателя с парогазовой турбиной.

Известны паровые котлы и паровые установки, которые являются парогенераторами для паровых машин и паротурбин (см. книгу "Паровые котлы". Зыков А. К. Наука. М.1967).

Парогенератор имеет котел, внутри которого установлены теплообменники, выполненные в виде длинных труб, и камеру внешнего сгорания (топку), в которой сгорает твердое или жидкое топливо. Из камеры сгорания нагретый газ движется по трубам, затем истекает по дымовой трубе в атмосферу.

От нагретого газа тепло передается воде через стенки теплообменника, превращая воду в пар. Из котла пар отводится по трубам в рабочие цилиндры паровой машины или в сопловой аппарат паротурбины, где энергия пара совершает полезную работу.

Недостатком этих парогенераторов является очень низкий КПД 16 18% и малая производительность котла, обусловленные тем, что тепло передается через стенку трубы и большая часть тепла уходит через дымовую трубу бесцельно.

В качестве прототипа представлена схема системы питания для двигателя внутреннего сгорания (см. фиг.1, авт. св. N 1281720). На фиг.2 изображен рабочий испаритель 15, который служит в системе питания газогенератором.

Испаритель конструктивно является элементом выпускного трубопровода 22 и с помощью фланцев закреплен на трубопроводе 22. На нижней части испарителя закреплена газоприемная труба 23.

Испаритель выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлены трубки, служащие теплообменником. Внутренняя полость испарителя заполнена жидким топливом.

Отработанные газы поступают из двигателя по трубопроводу 22 на испаритель. Через трубки отработанные газы выходят в газоприемную трубу 23. Тепло от газов передается топливу через стенки трубок испарителя. Пары топлива поступают по трубопроводам 17-20 в рабочие цилиндры двигателя (см. фиг.1).

Недостатком этого испарителя является то, что большая часть тепла выбрасывается бесцельно через выпускной трубопровод и только 15 20% тепла передается через стенки теплообменника.

Недостатком этого испарителя является еще и то, что он выполнен неразборной конструкции, то есть не предусмотрена очистка стенок теплообменника от смол (кокса).

Задача предлагаемого изобретения устранение вышеперечисленных недостатков, повышение мощности двигателя и снижение расхода топлива.

Поставленная задача решается эффективным использованием энергии отработанных газов двигателя, для чего парогазовый генератор выполнен сборным узлом по форме баллона, внутри которого установлен корпус парогенератора с диффузором и завихрителем, а на днище баллона установлена водная форсунка и жиклер с регулирующим винтом.

Поставленная задача решается также превращением жидкого топлива в газообразное, для чего корпус парогенератора использован в качестве теплообменника для газогенератора и на корпусе установлена топливная форсунка, которая выполнена литьем заодно целое с завихрителем.

Поставленная задача решается также ускорением процесса теплоотдачи от газа к воде, для чего форсунка установлена на днище баллона так, что истекаемые из нее струи воды направлены против движения потока отработанных газов. На чертеже изображен продольный разрез парогазового генератора.

Предлагаемый парогазовый генератор содержит парогенератор I и газогенератор II и выполнен сборным узлом по форме баллона.

Парогенератор состоит из корпуса 1, завихрителя 2, диффузора 3,форсунки 4 и жиклера 5. Корпус выполнен в виде трубы из алюминиевого листа сваркой. На конце корпуса нарезана резьба. Завихритель и диффузор выполнены литьем из алюминиевого сплава. Корпус, завихритель и диффузор соединены между собой сваркой. Завихритель имеет 12 лопаток а, которые установлены под углом 25^o относительно оси корпуса (см.сечение А-А). Форсунка и жиклер выполнены из стали и соединены сваркой. Форсунка и жиклер имеют единый канал Б подвода воды. На форсунке выполнено 15 отверстий диаметром 0,5 мм, которые сообщаются с каналом Б. В поперечном сечении форсунка выполнена обтекаемой (см. сеч. Б-Б). Жиклер имеет регулировочный винт 6.

На диффузоре выполнены два посадочных диаметра, на которые устанавливаются крышка 7 и выхлопной патрубок 8 мотокомпрессора. На диффузоре выполнены 4 канавки, куда установлены уплотнительные кольца 9.

Газогенератор II содержит крышку 7, корпус 10, стакан 11 и топливную форсунку 12.

Газогенератор выполнен по форме баллона и имеет разборную конструкцию. Корпус 10 выполнен из листовой стали и содержит цилиндр 13 и два фланца 14, соединенные с цилиндром сваркой. С помощью винтов на корпусе закреплены крышка 7 и стакан 11, по разъему которых установлены уплотнительные прокладки 15.

Крышка 7 выполнена штамповкой с последующей механической обработкой. На крышке имеется фланец В, где выполнено посадочное отверстие, которым крышка устанавливается на диффузор 3. На крышке выполнены две бобышки. На бобышке Г выполнено резьбовое отверстие, куда ввернут штуцер, который подсоединяет трубку 16 отвода газа из баллона. На бобышке Д выполнено отверстие, куда установлен переходник 17. К переходнику крепится трубка 18 подвода жидкого топлива. Стакан 11 содержит днище 19 и цилнидр 20, которые соединены между собой сваркой. Цилиндр выполнен из листовой стали, по концам которого приварены днище и фланец 21.

Днище выполнено из поковки и имеет горловину Е, внутри которой установлена форсунка 4. На горловине выполнена резьба, с помощью которой стакан соединяется с корпусом 1. На корпусе 1 по разъему выполнена канавка, куда установлено уплотнительное кольцо 22. Корпус 1 для газогенератора является теплообменником, через стенку которого передается тепло от выхлопных газов. На горловине выполнено отверстие, куда установлен жиклер 5. Днище 19, форсунка 4 и жиклер 5 соединены между собой сваркой. На горловине выполнены фланец К и центрирующий поясок, с помощью которых генератор устанавливается и крепится на корпусе реактивного движителя, вместо трубы подвода выхлопных газов от мотокомпрессора.

На завихрителе 2 имеется топливная форсунка 12. Форсунка и завихритель выполнены заодноцелое литьем. На форсунке выполнено отверстие, куда установлен перходник 17. На форсунке выполнен канал Л подвода жидкого топлива и восемь отверстий М, которые сообщаются с каналом Л. Топливный и водный насосы установлены на рабочих цилиндрах мотокомпрессора.

Принцип работы парогазового генератора.

Из рабочих цилиндров мотокомпрессора поступают отработанные газы в корпус 1 по выхлопному патрубку 8 и диффузору 3. Корпус 1 парогенератора является для газогенератора теплообменником. От нагретых газов тепло передается через стенку теплообменника жидкому топливу.

По трубке 18 и переходнику 17 насос подает топливо в канал Л форсунки 12. Под давлением 12 кг/см² топливо распыляется на мелкие капли, которые соприкасаются с нагретой поверхностью теплообменника. В канале теплообменника после испарения капель воды еще обеспечивается большая температура 400 - 430^oC. Капли топлива быстро поглощают тепло, превращаясь в пар, затем в газ. В течение трех секунд работы газогенератора в баллоне накапливается газ. Давление газа повышается и при достижении давления 12 кГ/см², насос-регулятор отключает подачу жидкого топлива.

По трубке 16 газ отводится из баллона. По трубкам и агрегатам топливной системы питания газ поступает в рабочие цилиндры мотокомпрессора. В цилиндрах газ сгорает и совершает полезную работу. При понижении давления газа в баллоне насос-регулятор автоматически включает подачу топлива. И так процесс теплоотдачи повторяется вновь.

При газообразовании происходит выделение смол, которые покрывают плотным слоем поверхности баллона и теплообменника. Поэтому нужно производить очистку внутренних поверхностей баллона через 600 700 ч работы мотокомпрессора на керосине. С этой целью газогенератор выполнен быстроразъемным.

Карбюратор не обеспечивает полного смешивания топлива с воздухом в рабочих цилиндрах. Топливные форсунки на дизелях распыляют топливо, но с воздухом его не смешивают. За счет нагретых стенок цилиндра и поршня происходит в начале испарение топлива, затем пары превращаются в газ.

Но при высокой цикличности движения поршней пары и газ не могут полностью сгореть. Поэтому из цилиндров с выхлопными газами выбрасываются в атмосферу недогоревшие окислы углерода и азота.

При наличии газообразного топлива и избытка кислорода в воздухе при наполнении цилиндров сжатым воздухом в 2 кг/см² будет обеспечиваться полное сгорание газа. Поэтому в выхлопных газах мотокомпрессора токсические вещества будут отсутствовать. При наличии газогенератора двигатель будет экологическим чистым.

Из рабочих цилиндров мотокомпрессора отработанные газы поступают в полость корпуса 1 с температурой более 1000^oC. В диффузоре 3 газ расширяется, снижая свою скорость, что необходимо для ускорения процесса теплоотдачи. После охлаждения рабочих цилиндров мотокомпрессора вместе с отработанными газами движется подогретая вода. Расход воды для охлаждения цилиндров составляет 48 г/с. При движении по внутреннему каналу выхлопного патрубка 8 вода охлаждает все его внутренние полости и одновременно дробится на капли за счет большой скорости движения газа. При наличии высокой температуры газа капли превращаются в пар.

Пар, газ и еще неиспарившиеся капли движутся через завихритель 2, получая вращательное движение. При наличии вращательного движения скорость движущейся массы снижается, что значительно ускоряет процесс смешивания и повышает процесс теплоотдачи от газа к воде. Вода поглощает тепло (26 ккал/с), снижая температуру газа на 170^oC.

После испарения капель воды газ имеет еще достаточно высокую температуру, которую необходимо сработать и превратить в пар. С этой целью в парогенератор введена форсунка 4. По трубке 23 насос подает воду в канал б форсунки через жиклер 5. Под давлением 12 кг/см² вода распыляется на мельчайшие капли, которые направлены против движения потока газа и движутся на всю длину канала. При таком движении капли, с трением между частицами газа, эффективно поглощают тепло от газа. Процесс теплоотдачи протекает напрямую: вода газ. Такой процесс теплообмена является самым ускоренным в теплопередаче, то есть на короткой длине канала капли быстро поглощают тепло газа (80 ккал/с), превращаясь в пар.

Расход воды для парообразования определяется проходным сечением отверстий и количеством отверстий, расположенных на форсунке. Практически расход воды будет регулироваться изменением давления насоса и регулировочным винтом 6 на жиклере 5.

Пар и охлажденный газ под давлением 1,8 кг/см² поступает во второй контур реактивного движителя, где совершают полезную работу 5400 ккал/с. При срабатывании энергии отработанных газов (с температурой 1000^oC и давлением газа 4 кг/см²) двигатель получит дополнительно 40 л.сил без дополнительных затрат топлива.

Следовательно, двигатель будет экономичным по расходу топлива, мощным, экологически чистым и будет иметь большой КПД, равный 48 53%

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: парогазовый генератор выполнен сборным узлом в форме баллона, внутри которого размещена труба теплообменника с диффузором и завихрителем, а на днище баллона установлены водяная форсунка и жиклер с регулирующим винтом. Топливная форсунка размещена на теплообменнике и выполнена литьем за одно целое с завихрителем. Струи воды из водяной форсунки направлены против потока отработанных газов в трубе теплообменника. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Парогазовый генератор, содержащий баллон с размещенным в нем трубчатым теплообменником, подключенным к источнику подачи горячих газов, и устройства для подачи жидкого топлива в генератор и вывода из него топливного газа, отличающийся тем, что труба теплообменника на входе горячих газов снабжена диффузором и завихрителем потока горючих газов, а на выходе устройством для регулируемой подачи и распыливания воды в потоке горячих газов. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что баллон выполнен в виде сварной разборной конструкции. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что устройство для подачи жидкого топлива в генератор содержит топливную форсунку, выполненную литьем за одно целое с завихрителем потока горячих газов. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что устройство для регулируемой подачи и распыливания воды в потоке горячих газов содержит жиклер с регулирующим винтом и водяную форсунку, при этом последняя размещена на днище баллона с возможностью подачи водяных струй против потока горячих газов.