ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F01K13/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к энергетическим установкам, использующим естественную разность температуры окружающей среды для выработки элекроэнергии. Известна океаническая тепловая электростанция (а.с. СССР N 1681 031, F 01 K 13/00, F 03 G 7/04. публ. БИ N 36, 1991 г. ) Установка содержит последовательно соединенные в замкнутом контуре размещенные над уровнем воды конденсатор, гидравлическую турбину, размещенный под водой испаритель, паровую турбину, при этом конденсатор расположен в аэродинамической трубе, которая выполнена в виде сверхзвукового диффузора. Установка снабжена пароперегревателем для дополнительного подогрева рабочего тела, в качестве которого используют низкокипящую жидкость, например фреон. Пары рабочего тела после испарителя перегреваются в пароперегревателе и вращают паровую турбину, после чего они попадают в конденсатор, расположенный внутри аэродинамической трубы. Пары рабочего тела охлаждаются воздухом и конденсируются. После конденсации рабочее тело стекает вниз и за счет напора вращает гидравлическую турбину. С турбинами связаны электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Однако работа указанной установки в сильной степени зависит от наличия воздушных потоков над поверхностью океана и силы ветра, что снижает стабильность функционирования установки и усложняет ее конструкцию. Известна океаническая энергетическая установка, использующая естественную разность температур между теплыми поверхностными слоями океана и холодными глубинными слоями (ЕПВ N 01625799, F 03 G 7/04, публ. 1985г.). Установка содержит систему циркуляции рабочего тела в замкнутом контуре, включающем конденсатор, испаритель, паровую турбину, связанную с электрогенератором, а также системы циркуляции теплой и холодной воды, отбираемой с помощью насосов с разных глубин океана, соответственно для испарения рабочей жидкости в испарителе и для охлаждения паров рабочей жидкости в конденсаторе. Установка обеспечивает различные режимы работы в дневное и ночное время, что улучшает ее экономичность. Однако наличие циркуляционных контуров теплоносителя требует включения в схему установки дополнительных контуров, которые усложняют установку. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является энергетическая установка (а. с. СССР N 1744276, F 01 K 13/00, F 03 G 7/04, публ. БИ N 24, 1992г.), которая выбрана автором в качестве прототипа. Установка содержит последовательно соединенные в замкнутом циркуляционном контуре паровую турбину, связанную с электрическим генератором, трубчатые конденсаторы и испаритель, при этом испаритель размещен ниже уровня воды океана, а конденсатор размещен над поверхностью воды. Установка предназначена для работы в полярных зонах при температуре окружающего воздуха не выше -20^o С. Пары рабочей жидкости, в качестве которой используют низкокипящую жидкость, например фреон, испаряются в испарителе, омываемом подледной водой с температурой около 4^o C, и поступают по паропроводу в паровую турбину, связанную с электрогенератором, после чего они конденсируются в конденсаторе, охлаждаемом атмосферным воздухам с температурой не выше -20^o C. Образующийся конденсат самотеком поступает по соединительному трубопроводу в расположенный подо льдом испаритель. Указанная установка не требует организации принудительной циркуляции рабочего тела и теплоносителя, что делает ее работу более экономичной. Однако установка может быть использована в ограниченных географических широтах.

Задачей предлагаемого технического решения является создание мощной энергетической установки широкого функционального назначения, использующей естественную разность температур в океане.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что энергетическая установка, содержащая соединенные в замкнутом циркуляционном контуре трубчатый испаритель, размещенный под уровнем воды, паровую турбину, связанную с электрогенератором, трубчатый конденсатор, снабжена также насосом, расположенным в циркуляционном контуре, конденсатор размещен под уровнем воды ниже испарителя, а испаритель и конденсатор выполнены в виде трехмерных трубчатых решеток, при этом решетки испарителя и конденсатора образуют единую плавучую платформу, снабженную движителями.

Кроме того, решетки испарителя и конденсатора выполнены в виде совокупности модулей, каждый из которых содержит стыковочный узел, выполненный в виде объемного тела со сквозными пересекающимися каналами, расположенными в трех, например, взаимоперпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки решетки.

Кроме того, по крайней мере для конденсатора трубки решетки содержат размещенные внутри них тонкие распылительные трубки с выполненными по их поверхности сквозными отверстиями.

Кроме того, решетки испарителя и конденсатора соединены в замкнутый циркуляционный контур посредством расположенной по центральной вертикальной оси платформы коллекторной трубы со сквозными отверстиями на боковой поверхности, к которым подсоединены трубки верхней горизонтальной секции испарителя и трубки конденсатора, при этом в трубе выше уровня расположения конденсатора размещена паровая турбина, а в нижней части размещен насос, к которому подсоединена вертикальная трубка, установленная внутри коллекторной трубы и соединенная с нижней горизонтальной секцией решетки испарителя. Новым, по сравнению с прототипом, в изобретении является то, что установка снабжена насосом, расположенным в циркуляционном контуре, конденсатор размещен под уровнем воды ниже испарителя, а испаритель и конденсатор выполнены в виде трехмерных решеток, при этом решетки испарителя и конденсатора образуют единую плавучую платформу, снабженную движителями.

Кроме того, новым является то, что решетки испарителя и конденсатора выполнены в виде совокупности модулей, каждый из которых содержит стыковочный узел, выполненный в виде объемного тела со сквозными пересекающимися каналами, расположенными в трех взаимоперпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки решетки.

Кроме того, по крайней мере для конденсатора трубки решетки содержат размещенные внутри них тонкие распылительные трубки с выполненными по их поверхности сквозными отверстиями. Решетки испарителя и конденсатора соединены в замкнутый циркуляционный контур посредством расположенной по центральной вертикальной оси платформы коллекторной трубы со сквозными отверстиями на боковой поверхности. Размещение конденсатора под уровнем воды ниже испарителя позволяет использовать естественную разность температуры различных слоев океанической воды для выработки электроэнергии. В конденсаторе, омываемом относительно холодной водой глубинных слоев океана, происходит конденсация паров рабочей жидкости, в качестве которой используют низкокипящую жидкость, а в испарителе, омываемом относительно теплой водой поверхностных слоев океана, происходит образование паров рабочей жидкости, вращающих паровую турбину. При этом размещение насоса в замкнутом циркуляционном контуре обеспечивает циркуляцию рабочего тела, необходимую для функционирования установки. Выполнение испарителя и конденсатора в виде трубчатых конструкций, представляющих собой трехмерные пространственные решетки, увеличивает поверхность теплообмена рабочего тела и теплоносителя, что повышает к.п.д. и позволяет создать высокомощную энергетическую установку, а также обеспечивает механическую прочность конструкции. Объединение решеток испарителя и конденсатора в единую плавучую платформу и снабжение ее двигателями, например гребными винтами, делает конструкцию установки рациональной, а также приспособленной к перемещению в слоях океанической воды. При стационарном расположении установки в океане происходит постепенное выравнивание температуры океанической воды, омывающей испаритель и конденсатор. Для исключения выравнивания температуры энергоносителя осуществляется перемещение установки, тем самым обеспечивается стабильность рабочих характеристик установки. Кроме того, выполнение установки в виде единой плавучей платформы расширяет функциональные возможности ее использования. Плавучая платформа может быть использована в качестве грузового или пассажирского транспортного средства, может быть использована для монтажа на ее поверхности узлов, обеспечивающих организацию процесса преобразования получаемой электроэнергии в другие виды энергии или для совершения полезной работы, например для осуществления процесса электролиза океанической воды, а также может найти другие полезные применения. Выполнение решеток испарителя и конденсатора в виде совокупности модулей, каждый из которых содержит стыковочный узел, выполненный в виде объемного тела со сквозными пересекающимися каналами, расположенными в трех взаимноперпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки решетки, например, с помощью резьбового соединения обеспечивает удобство изготовления сборочных узлов, из которых собирается установка, а также удобство монтажа, демонтажа установки и возможность изготовления установок с различными габаритными размерами в зависимости от требуемой мощности и функционального назначения. Выполнение по крайней мере для конденсатора трубок решетки с установленными внутри них узкими распылительными трубками, снабженными сквозными отверстиями по боковой поверхности, позволяет осуществить процесс распыления рабочей жидкости внутри теплообменных трубок решетки конденсатора, что интенсифицирует процесс конденсации паров рабочего тела и повышает экономичность работы установки. При этом установка указанных распылительных трубок внутри трубок решетки испарителя также повышает интенсивность процесса образования паров рабочей жидкости в испарителе из-за увеличения площади поверхности жидкой фазы рабочего тела. Однако это усложняет конструкцию испарителя, хотя и сокращает необходимое количество рабочей жидкости. Соединение решеток испарителя и конденсатора в замкнутый циркуляционный контур посредством расположенной по центральной вертикальной оси плавучей платформы коллекторной трубы со сквозными отверстиями по боковой поверхности, к которым подсоединены трубки решеток, а также установка в верхней части указанной коллекторной трубы паровой турбины, а в нижней части - насоса, к которому подсоединена вертикально установленная внутри коллекторной трубы трубка, соединенная с нижней горизонтальной секцией решетки испарителя, обеспечивает рациональность компановки всех узлов установки, удобство ее монтажа, а также оптимальность ее гидродинамических характеристик. На фиг.1 представлена предлагаемая установка. На фиг.2 представлен рисунок общего вида предлагаемой установки. На фиг.3 представлен рисунок модуля решетки испарителя. Энергетическая установка содержит трубчатые испаритель 1 и конденсатор 2, выполненные в виде пространственных трехмерных решеток. Испаритель 1 и конденсатор 2 соединены в единый циркуляционный контур посредством коллекторной трубы 3, расположенной по центральной вертикальной оси а-а установки. В верхней части трубы 3 установлена паровая турбина 5, выходной вал 6 которой связан с электрогенератором (не показан). Турбина 5 крепится к стенкам трубы 3 с помощью кронштейнов 7. В нижней части трубы 3 установлен насос 8, соединенный с нижней горизонтальной трубчатой секцией 10 испарителя 1. Внутри теплообменных трубок конденсатора 2 установлены тонкие распылительные трубки 11 со сквозными отверстиями 12 на боковой поверхности, которые соединены с трубой 9. Решетки испарителя 1 и конденсатора 2 расположены одна над другой соответственно и объединены в единую платформу, обладающую плавучестью, посредством стоек 13. Плавучая платформа имеет верхний настил 14, укрепленный на решетке испарителя 1 посредством стоек 15. Установка снабжена гребными винтами 16 (см. фиг. 2). Решетки испарителя 1 и конденсатора 2 могут быть выполненными из отдельных модулей, каждый из которых содержит объемный элемент 17, например куб со сквозными каналами 18, пересекающимися в трех взаимоперпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки 19 указанных решеток (см. фиг.3). Габаритные размеры и вес установки рассчитываются из условия обеспечения требуемой плавучести и заглубления испарителя на глубины от 0 до 50 м, а конденсатора на глубины от 100 до 150 м. При этом испаритель омывается водой с температурой около 20^o - 16^o C, а конденсатор омывается водой около 4^o C.

Для обеспечения необходимой механической прочности трубчатые решетки испарителя и конденсатора могут быть изготовлены, например, из труб газовых магистралей. Энергетическая установка работает следующим образом.

Перед пуском система полностью герметизируется, производится вакуумирование и заправка рабочей жидкостью, например хладоном R-22, при этом конденсатор заполняется на 10-20% свободного объема, а испаритель на 89-90% свободного объема. При температуре от 16^o C и выше в трубках испарителя 1, расположенного в верхних слоях океана, начинается процесс испарения рабочей жидкости, при этом пары ее проходят через отверстия 4 на боковой поверхности трубы 3 и силой своего давления (6 атм.) вращают лопасти паровой турбины 5, с выходного вала которой вращение передается на ротор электрогенератора. Одновременно насос 8 подает в циркуляционный контур жидкий хладоагент из конденсатора 2. После прохождения турбины 5 пары рабочей жидкости по трубе 3 спускаются вниз. В трубках конденсатора 2, расположенного в слое воды с температурой 4^o C, происходит конденсация рабочей жидкости и давление снижается до 4 атм. Жидкий хладоагент скапливается в нижней части трубы 3, оттуда насосом подается через центральную трубку 9 в нижнюю горизонтальную трубчатую секцию 10 испарителя 1, где начинается процесс нагрева и испарения рабочей жидкости. Таким образом, организуется непрерывная циркуляция рабочего тела в замкнутом контуре конденсатор-испаритель с одновременной выработкой электроэнергии. Для обеспечения градиента температуры воды, омывающей трубки решеток испарителя и конденсатора, с помощью движителей 16, например гребных винтов, обеспечивается движение энергетической установки со скоростью около 100 м/ч или более, если устройство используется в качестве транспортного средства. При наличии в толще океана теплого течения и пересекающего его на соответствующей глубине холодного течения энергетическая установка может работать в стационарном режиме без перемещения. Наращивая количество трехмерных модулей, установку легко можно довести до мощности, например, 50000 кВт. экологически чистой энергии. Соединение большого количества таких установок под единую платформу практических ограничений не имеет.

Изобретение предназначено для использования в энергомашиностроении, в частности относится к энергетическим установкам, использующим естественную разность температуры окружающей среды для выработки электроэнергии. Энергетическая установка, содержащая соединенные в замкнутом циркуляционном контуре испаритель, размещенный под уровнем воды, паровую турбину, связанную с электрогенератором, трубчатый конденсатор, снабжена также насосом, расположенным в циркуляционном контуре, конденсатор размещен под уровнем воды ниже испарителя, а испаритель и конденсатор выполнены в виде трехмерных трубчатых решеток, при этом решетки испарителя и конденсатора образуют единую плавучую платформу, снабженную движителями. Кроме того, решетки испарителя и конденсатора выполнены в виде совокупности модулей, каждый из которых содержит стыковочный узел, выполненный в виде объемного тела со сквозными пересекающимися каналами, расположенными в трех, например, взаимноперпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки решетки. Кроме того, по крайней мере для конденсатора трубки решетки содержат размещенные внутри них узкие распылительные трубки с выполненными по их поверхности сквозными отверстиями. Кроме того, решетки испарителя и конденсатора соединены в замкнутый циркуляционный контур посредством расположенной по центральной вертикальной оси платформы коллекторной трубы со сквозными отверстиями на боковой поверхности, к которым подсоединены трубки верхней горизонтальной секции испарителя и трубки конденсатора, при этом в трубе выше уровня расположения конденсатора размещена паровая турбина, а в нижней части размещен насос, к которому подсоединена вертикальная трубка, установленная внутри коллекторной трубы и соединенная с горизонтальной секцией решетки испарителя. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Энергетическая установка, содержащая соединенные в замкнутом циркуляционном контуре трубчатый испаритель рабочей жидкости, размещенный под уровнем воды, паровую турбину, связанную с электрогенератором, трубчатый конденсатор рабочей жидкости, отличающаяся тем, что установка снабжена насосом, расположенным в циркуляционном контуре, конденсатор размещен под уровнем воды ниже испарителя в слоях воды, имеющих естественную температуру, обеспечивающую конденсацию рабочей жидкости, испаритель и конденсатор выполнены в виде трехмерных трубчатых решеток, при этом решетки испарителя и конденсатора объединены посредством стоек в единую плавучую платформу, снабженную движителями. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что решетки испарителя и конденсатора выполнены в виде совокупности модулей, каждый из которых содержит стыковочный узел, выполненный в виде объемного тела со сквозными пересекающимися каналами, расположенными в трех, например, взаимно перпендикулярных направлениях, к которым подсоединены трубки решетки. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере для конденсатора трубки решетки содержат размещенные внутри них тонкие распылительные трубки с выполненными по их поверхности сквозными отверстиями. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что решетки испарителя и конденсатора соединены в замкнутый циркуляционный контур посредством расположенной по центральной вертикальной оси плавучей платформы коллекторной трубы со сквозными отверстиями на боковой поверхности, к которым подсоединены трубки верхней горизонтальной секции испарителя и трубки конденсатора, при этом в коллекторной трубе выше уровня расположения конденсатора размещена паровая турбина, а в нижней части размещен насос, к которому подсоединена вертикальная трубка, установленная внутри коллекторной трубы и соединенная с нижней горизонтальной секцией решетки испарителя.