АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ЗДАНИЙ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ И ТУРБИНА Российский патент 2008 года по МПК F24D15/00 F01D1/32 

Изобретение относится к области теплотехники и предназначено для автономного отопления и горячего водоснабжения зданий индивидуального пользования (коттеджей, отдельно стоящих жилых домов), а также к турбинам для привода электрогенераторов и других.

Известна автономная система отопления для зданий индивидуального пользования, содержащая теплогенераторную установку с регулятором расхода жидкости, турбину, соединенную валом с электрогенератором, насос и батареи отопления, соединенные гидравлически (патент РФ №2162990, F24D 11/00, 15/02; F24J 3/00, 2001 г.).

Недостатком известной автономной системы является невозможность получения достаточного количества механической энергии от турбины с электрогенератором вследствие потерь при преобразовании большей части гидравлической мощности насоса при дросселировании жидкости в регуляторе расхода и истечении жидкости из струйных форсунок в емкость с погруженной в жидкость турбиной.

Известна отопительная теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), содержащая парогенераторную установку, турбину соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, вход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен через первый насос с входом парогенераторной установки, выход батареи отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя («Основы современной энергетики. Курс лекций менеджеров энергетических компаний», в 2 частях под общей редакцией Аметистова Е.В., Москва, издание МЭИ, 2002, часть 1 «Современная теплотехника», А.Д.Трухний, А.А.Макаров, В.В.Клименов, с.96-98, ближайший аналог).

Известная отопительная теплоцентраль имеет большую мощность парогенераторной установки, выполненной в виде энергетического парового котла высокого давления (более 2 бар) и высокой температуры (более 120°С) и традиционной турбиной с противодавлением на выходе 2 бар и температурой отработанного пара 120°С. Отработанный пар используется для отопления большого числа городских домов. Такая отопительная теплоэлектроцентраль не может быть использована для зданий индивидуального пользования (коттеджей), так как в них необходимо для обеспечения безопасной эксплуатации использовать пар с низкими давлениями менее 2 бар и температурой менее 120°С.

Известна двухвальная радиальная турбина, содержащая цилиндрический ротор с внутренней осевой цилиндрической полостью и с торцевой стенкой, установленной с одного бока, а также с равномерно расположенными по окружности лопатками. Внутри цилиндрического ротора расположено сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с установленными на их концах в одну сторону по окружности от оси соплами, оси сопел перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков и ось трубы (патент Швейцарии №669428, F01D 1/28, 1989).

Недостатком известной турбины является невозможность ее использования в автономной системе отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования, в которой парогенераторная установка имеет не менее двух последовательно установленных емкостей и проходящий через них теплообменник, а подвод к ротору турбины должен осуществляться по неподвижным каналам, соединенным с соответствующей емкостью.

Известна реактивная турбина для преобразования энергии горячей термальной воды в механическую работу, содержащая цилиндрический ротор с внутренней осевой цилиндрической полостью и с торцевыми стенками, установленными по бокам, а также с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора неподвижными каналами, в одной торцевой стенке выполнено осевое отверстие, а в осевом отверстии расположен подвод рабочего тела к неподвижным каналам.

Неподвижные каналы выполнены в неподвижном внутреннем роторе, который отделен от цилиндрического ротора кольцевым пространством. Сквозные прорези в цилиндрическом роторе выполнены в виде радиальных каналов, переходящих в перпендикулярные им расширяющиеся двухфазные сопла, в которых происходит основной разгон паро-водяной смеси. Подвод горячей воды осуществляется в неподвижные каналы внутреннего ротора по одной трубе (патент США №4430042, МПК: F01D 1/18, 1984 г., ближайший аналог).

Недостатком известной турбины является недостаточное количество механической энергии, получаемой в турбине от располагаемой кинетической энергии рабочего тела турбины при ее работе на водяном паре вместо нагретой воды из-за намного больших скоростей истечения пара из расширяющихся сопел цилиндрического ротора по сравнению с окружной скоростью ротора и связанных с этим потерь с выходной скоростью, а также из-за дополнительных потерь на трение внешнего ротора о помещенный внутри него неподвижный ротор при высоких скоростях внешнего ротора. Техническим результатом, достигаемым в заявляемой автономной системе отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования, является обеспечение обогрева и горячего водоснабжения зданий индивидуального пользования с получением электрической энергии для нужд здания при давлении пара менее р=2 бар и температуре пара менее 120°С в парогенераторной установке и при одновременно малых потерях преобразования тепловой энергии в механическую энергию турбины.

Для достижения указанного выше технического результата автономная система отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования, содержащая парогенераторную установку, турбину, соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, выход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен с входом первого насоса, а его выход с парогенераторной установкой, выход батарей отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя, согласно изобретению парогенераторная установка выполнена из водогрейного котла для квартирного отопления, не менее чем двух последовательно установленных емкостей и проходящего через них теплообменника, вход которого соединен с выходом водогрейного котла, соединение выхода первого насоса с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей парогенераторной установки через поплавковые клапаны, установленные в каждой из емкостей, турбина выполнена в виде цилиндрического ротора с внутренней осевой полостью с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора не менее чем двумя неподвижными каналами, а также корпуса с выходом для рабочего тела, охватывающего цилиндрический ротор, выход парогенераторной установки выполнен в виде отдельных трубопроводов, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом, причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины выполнено соединением каждого отдельного трубопровода турбины с отдельным дроссельным клапаном, а автономная система снабжена бойлером с теплообменником, выход которого соединен с входом батарей отопления, а вход - с выходом теплообменника подогревателя, третьим насосом, вход которого соединен с выходом теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, а выход - с входом водогрейного котла.

Выполнение парогенераторной установки из водогрейного котла, не менее чем двух последовательно установленных емкостей и проходящего через них теплообменника, вход которого соединен с выходом водогрейного котла, соединение выхода первого насоса с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей парогенераторной установки через поплавковые клапаны, установленные в каждой из емкостей, выполнение турбины в виде цилиндрического ротора с внутренней осевой полостью с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора не менее чем двумя неподвижными каналами, а также корпуса с выходом для рабочего тела, охватывающего цилиндрический ротор, выполнение выхода парогенераторной установки в виде выхода из верхней части каждой емкости, соединенного с соответствующим дроссельным клапаном, а входа турбины в виде отдельных трубопроводов, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом, причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины выполнено соединением каждого отдельного трубопровода турбины с отдельным дроссельным клапаном, обеспечивает обогрев и горячее водоснабжение зданий индивидуального пользования с одновременным получением электрической энергии для всех нужд здания, в том числе приведение в действие всех насосов при минимальных потерях преобразования тепловой энергии в механическую энергию турбины и при начальном давлении пара менее 2 бар и начальной температуре пара менее 120°С в парогенераторной установке с использования водогрейного котла для квартирного отопления, подающего горячую воду при температуре менее 120°С с последующим образованием пара в емкостях, в которых температура и давление пара последовательно уменьшаются за счет отбора тепла от горячей воды, проходящей через теплообменник, и подачей пара по отдельным трубопроводам через сопла к сквозным прорезям ротора турбины, приводя во вращение ротор и электрогенератор. Равномерное расположение по окружности сквозных прорезей обеспечивает равномерное вращение ротора. После этого отработанный пар при 60°С конденсируется в подогревателе, нагревая воду проходящую через теплообменник подогревателя. Конденсат подается первым насосом в отдельные емкости через поплавковые клапаны для обеспечения требуемого уровня в емкостях.

Вода из батарей отопления подается в теплообменник подогревателя, где вода нагревается при конденсации отработанного пара, одновременно нагретая вода проходит через второй теплообменник бойлера, обеспечивая обогрев и горячее водоснабжение.

Вода подается из теплообменника парогенераторной установки, проходящего через последовательно установленные емкости в водогрейный котел, обеспечивая замкнутый цикл.

Выполнение парогенераторной установки с не менее чем двумя последовательно установленными емкостями с соединением каждой емкости с различными температурами и давлениями насыщенного пара паропроводами с соответствующими неподвижными каналами и сквозными прорезями турбины увеличивает коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии, получаемой от водогрейного котла, в механическую энергию турбины, соответственно, мощность турбины будет увеличиваться при переходе от одной емкости к не менее чем двумя емкостям, обеспечивая малые потери преобразования тепловой энергии в механическую энергию турбины.

Автономная система может быть снабжена дополнительным теплообменником, вход и выход которого соединены через вентили соответственно с входом и выходом батарей отопления, что обеспечивает большую мощность, получаемую от турбины и электрогенератора и больший коэффициент полезного действия преобразования тепловой энергии в электрическую энергию за счет охлаждения воды до более низкой температуры в дополнительном теплообменнике.

Техническим результатом, достигаемым в заявляемой турбине, является увеличение механической энергии, получаемой в турбине вследствие минимальных потерь энергии потока за счет обеспечения минимальной абсолютной скорости потока пара при истечении из сквозных прорезей цилиндрического ротора и уменьшения потерь на трение цилиндрического ротора.

Для достижения указанного выше технического результата в турбине, содержащей цилиндрический ротор с внутренней осевой цилиндрической полостью и торцевыми стенками, установленными по бокам, а также равномерно расположенные по окружности сквозные прорези и подводящие к внутренней поверхности ротора неподвижные каналы, корпус с выходом для рабочего тела, охватывающий цилиндрический ротор, в одной торцевой стенке выполнено осевое отверстие, в котором расположен подвод рабочего тела к неподвижным каналам, расположенный в осевом отверстии, согласно изобретению сквозные прорези выполнены с плавными изгибами, каналы расположены в по меньшей мере двух радиальных патрубках с установленными на их концах в одну сторону по окружности от оси соплами, направленными противоположно изгибу прорезей, оси каждого из сопел перпендикулярны плоскости, проходящей через ось соответствующего патрубка и ось ротора, подвод рабочего тела к неподвижным каналам выполнен в виде отдельных трубопроводов, размещенных вдоль оси ротора, и каждый трубопровод соединен с соответствующим радиальным патрубком, внутренняя поверхность цилиндрического ротора примыкает к соплам с зазором, сквозные прорези выполнены изогнутыми.

Выполнение сквозных прорезей с плавными изгибами, расположение каналов в по меньшей мере двух радиальных патрубках с установленными на их концах в одну сторону по окружности от их оси соплами, оси каждого сопел перпендикулярны плоскости, проходящей через ось соответствующего патрубка и ось ротора, подвод рабочего тела к неподвижным каналам выполнен в виде отдельных трубопроводов, размещенных вдоль оси ротора, и каждый трубопровод соединен с соответствующим радиальным патрубком, внутренняя поверхность цилиндрического ротора примыкает к соплам с зазором, сквозные прорези ротора выполнены изогнутыми, позволяет пару, выходящему из сопел, поступать во внутреннюю осевую цилиндрическую полость ротора, где давление намного меньше, чем на входе в сопла, и определяется центробежным давлением пара, вращающимся со скоростью ротора, в результате чего пар в соплах разгоняется до высокой скорости, определяемой отношением давления на входе в сопла и центробежным давлением на их выходе, которая намного больше, чем окружная скорость цилиндрического ротора с прорезями, затем пар входит в прорези, где его скорость при угле входа 90° затормаживается до окружной скорости цилиндрического ротора, обеспечивая основную мощность турбины. Одновременно пар, вращающийся во внутренней осевой цилиндрической полости цилиндрического ротора, создает на сквозных прорезях центробежный перепад давления, под действием которого происходит истечение пара из сквозных прорезей постоянного сечения с теоретической скоростью, равной окружной скорости цилиндрического ротора, что создает реактивный момент вращения и дополнительную мощность турбины.

Так как истечение пара из сквозных прорезей ротора происходит со скоростью, близкой к окружной скорости ротора, но в обратном направлении, так что абсолютная скорость потока пара близка к нулю, что повышает механическую энергию, получаемую в турбине. Использование по меньшей мере двух радиальных патрубков с соплами, установленными на их концах в одну сторону по окружности от их оси, позволяет увеличить механическую энергию, получаемую в турбине при двух емкостях, примерно в 1,5 раза по сравнению с подводом пара по одному патрубку от одной емкости парогенераторной установки.

Примыкание внутренней поверхности цилиндрического ротора к соплам с зазором позволяет подать пар непосредственно к сквозным прорезям с максимальным моментом вращения турбины.

В турбине могут быть выполнены в поперечном сечении сквозные прорези прямоугольными с постоянной площадью поперечного сечения по их длине, ось каждой прорези на входе направлена по радиусу ротора, а на выходе ось каждой прорези направлена к касательной в точке выхода из ротора под углом не более 15 градусов, что увеличивает механическую энергию, получаемую в турбине, вследствие создания наименьших потерь при движении пара через сквозные прорези в цилиндрическом роторе и малом угле отклонения струй пара от тангенциального направления.

В турбине отношение расстояния между наружным и внутренним радиусами ротора R_н и R_BH к высоте сквозной прорези h, равной кратчайшему расстоянию между изгибами сквозной прорези, (R_н-R_вн)/h=2-3 и отношение внутреннего радиуса ротора R_вн к расстоянию между наружным и внутренним радиусами ротора R_н и R_вн может составлять R_вн/(R_н-R_вн)=20-25, что обеспечит увеличение механической энергии, получаемой в турбине за счет минимальных гидравлических потерь потока рабочего тела в сквозных прорезях, и максимальный момент вращения цилиндрического ротора от потока пара из неподвижных сопел. При (R_н-R_вн)/h=2-3 обеспечивается оптимальная длина сквозных прорезей с плавным изгибом с созданием установившегося потока пара в сквозных прорехах. При отношении R_вн/(R_н-R_вн)=20-25 обеспечивается наибольший радиус взаимодействия потока пара со сквозными прорезями и максимальный момент вращения.

В турбине могут быть выполнены прямоугольные поперечные сечения сквозных прорезей ротора в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии прорези с соотношением неравных сторон, выбираемым из диапазона 2,0-3,0, что обеспечивает снижение гидравлических потерь при оптимальном соотношении сторон при течении жидкости в криволинейных каналах, в которых возникают парные циркулирующие вихри, вызывающие увеличение гидравлических потерь, которые минимальны при указанных соотношениях сторон.

В турбине могут быть выполнены радиальные патрубки и установленные на их концах сопла обтекаемой формы, что позволяет снизить аэродинамические потери при вращении цилиндрического ротора с внутренней осевой цилиндрической полостью, заполненной паром.

На фиг.1 изображена схема автономной системы отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования; на фиг.2 - общий вид турбины в разрезе; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - разрез по В-В на фиг.3.

Автономная система отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования содержит парогенераторную установку, выполненную из водогрейного котла 1, не менее чем двух последовательно установленных емкостей 2 и проходящего через них теплообменника 3, вход которого соединен с выходом водогрейного котла 1.

Теплообменник 3 может быть выполнен в виде пакета оребренных трубок, проходящих через последовательно установленные емкости 2.

Турбина 4 соединена валом 5 с электрогенератором 6 и выполнена в виде цилиндрического ротора 7 с внутренней осевой цилиндрической полостью 8 с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями 9 и подводящими к внутренней поверхности 10 цилиндрического ротора 7 не менее чем двумя неподвижными каналами 11. Корпус 12 с выходом 13 для рабочего тела охватывает цилиндрический ротор 7. Выход парогенераторной установки выполнен в виде выхода из верхней части каждой емкости 2, соединенного с соответствующим дроссельным клапаном 14, а вход турбины 4 выполнен в виде отдельных трубопроводов 15, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом 11, причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины 4 выполнено соединением каждого отдельного трубопровода 15 турбины 4 с отдельным дроссельным клапаном 14. Выход 13 турбины 4 соединен с входом 16 подогревателя 17, выход 18 которого соединен с первым насосом 19 (электронасос). Соединение выхода первого насоса 19 с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей 2 парогенераторной установки через поплавковые клапаны 20, установленные в каждой из емкостей 2.

Имеется бойлер 21 со вторым теплообменником 22, выход которого соединен с входом батарей отопления 23, а вход соединен с выходом теплообменника 24. Вход батарей отопления 23 соединен через второй насос 25 (электронасос) с входом теплообменника 24 подогревателя 17. Имеется третий насос 26 (электронасос), вход которого соединен с выходом теплообменника 3, проходящего через емкости 2, а выход соединен с входом водогрейного котла 1. У батарей отопления 23 имеются вентили на входе и выходе для отключения батарей отопления 23.

Автономная система может быть снабжена предохранительными клапанами 36, установленными на каждой емкости 2 парогенераторной установки, соединенными отдельным трубопроводом 37 с входом 16 подогревателя 17, для сброса излишнего расхода пара из емкостей 2 при регулировании мощности турбины 4 и электрогенератора 6.

Автономная система может быть снабжена дополнительным теплообменником 27, вход и выход которого соединены через вентили 28 и 29 с входом и выходом батарей отопления 23.

Дополнительный теплообменник 27 может быть установлен за пределами здания индивидуального пользования и иметь воздушное или какое-либо другое охлаждение, например путем заглубления труб теплообменника в мокрый грунт.

Турбина 4 содержит цилиндрический ротор 7 с внутренней осевой цилиндрической полостью 8 и торцевыми стенками 30 и 31, установленными по бокам, а также равномерно расположенные по окружности сквозные прорези 9, направленные в одну сторону и которые выполнены с плавными изгибами, а в поперечном сечении прямоугольными, круглыми или другого профиля.

Ось каждой сквозной прорези 9 может быть на входе направлена по радиусу цилиндрического ротора 7, а на выходе ось каждой сквозной прорези 9 направлена к касательной в точке выхода из цилиндрического ротора 7 под углом не более 15°. Могут быть также и по другому расположены оси сквозных прорезей 9. К внутренней поверхности 10 цилиндрического ротора 7 подведены неподвижные каналы 11. Неподвижные каналы 11 подведены к внутренней поверхности цилиндрического ротора 7 и расположены равномерно по окружности в по меньшей мере двух радиальных патрубках 34 с установленными на их концах в одну сторону по окружности от их оси соплами 35, направленными противоположно изгибу сквозных прорезей 9. Оси каждого из сопел 35 перпендикулярны плоскости, проходящей через ось соответствующего патрубка 34 и ось цилиндрического ротора 7.

В одной торцевой стенке 30 ротора 7 турбины 4 выполнено осевое отверстие 33. В осевом отверстии 33 расположен подвод рабочего тела к неподвижным каналам, выполненный в виде отдельных трубопроводов 15, закрепленных на торце корпуса 12 и размещенных вдоль оси цилиндрического ротора 7, и каждый трубопровод 15 соединен с соответствующим радиальным патрубком 34.

Корпус 12 с выходом 13 для рабочего тела охватывает цилиндрический ротор 7. Внутренняя поверхность 10 цилиндрического ротора 7 примыкает к соплам 35 радиальных патрубков 34 с зазором.

Отношение расстояния между наружным и внутренним радиусами цилиндрического ротора 7 R_н и R_вн к высоте сквозной прорези 9 h, равной кратчайшему расстоянию между изгибами сквозной прорези 9, (R_н-R_вн)/h=2-3 и отношение внутреннего радиуса R_вн к расстоянию между наружным и внутренним радиусами цилиндрического ротора R_н и R_вн составляет R_вн/(R_н-R_вн)=20-25.

Например, при наружном радиусе цилиндрического ротора 7 R_н=365 мм, при внутреннем радиусе цилиндрического ротора 7 R_вн=350 мм, высоте сквозных прорезей 9 h=5 мм отношение (R_н-R_вн)/h=(365-350)/5=3, а отношение R_вн/(R_н-R_вн)=350/(365-350)=23,33.

Прямоугольные поперечные сечения сквозных прорезей 9 цилиндрического ротора 7 в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии сквозной прорези выполнены с соотношением неравных сторон, выбираемым из диапазона b/h=2,0-3,0.

Например, при длине одной стороны b=15 мм, а при длине другой стороны h=5 мм соотношение неравных сторон составляет b/h=3.

На фиг.4 представлена половина ширины b сквозной прорези 9.

Радиальные патрубки 34 с установленными на их концах соплами 35 могут быть выполнены обтекаемыми.

Автономная система работает следующим образом.

Предварительно вакуумируют контур с емкостями 2 и турбиной 4.

В последовательно установленные емкости 2 и в автономную систему заливают воду. Включают третий насос 26 от внешнего источника энергии, например бензоагрегата, который начинает подавать воду в водогрейный котел 1, который подогревает воду, например при сжигании газа или какого-либо другого топлива. Горячая вода поступает в теплообменник 3, проходящий через последовательно установленные емкости 2.

В емкостях 2 образуется насыщенный пар при разных температурах и давлениях за счет постепенного охлаждения горячей воды, проходящей через теплообменник. Например, при четырех емкостях 2 можно получить температуру и давления насыщенного пара при подаче воды из водогрейного котла с температурой 120°С на его выходе и температурой воды на его входе 80°С

номер емкости1234температура пара, °С100908070давление пара, бар1,010,700,470,31

Далее из каждой емкости 2 через открытые дроссельные клапаны 14 по отдельным трубопроводам 15 пар поступает в неподвижные каналы 11 и сопла 35 турбины 4, в которых он разгоняется до максимальной скорости и подводится к внутренней поверхности 10 цилиндрического ротора 7, и далее воздействуя на сквозные прорези 9, разгоняет цилиндрический ротор 7, который через вал 5 вращает электрогенератор 6, вырабатывая электроэнергию для первого, второго и третьего насосов 19, 25 и 26 и для потребителей электроэнергии здания индивидуального пользования. Далее отработанный пар, поступив в корпус 12 при температуре 60°С и давлении 0,2 бара, подается через выход 13 на вход 16 в подогреватель 17, где он конденсируется, нагревая воду, проходящую через теплообменник 24 подогревателя 17. Конденсат подается первым насосом 19 в каждую из емкостей 2 парогенераторной установки через поплавковые клапаны 20, обеспечивая в каждой емкости 2 постоянный уровень воды над теплообменником 3 независимо от давления пара. Поплавковые клапаны 20 могут обеспечивать перекрытие поступления конденсата в отдельную емкость 2 в случае превышения определенного уровня воды.

Второй насос 25 подает воду из батарей отопления 23 в теплообменник 24 подогревателя 17, где вода одновременно нагревается от отработанного пара из турбины 4 и конденсирует отработанный пар для подачи конденсата в емкости 2. Далее нагретая вода поступает во второй теплообменник 22 бойлера 21, нагревая воду в бойлере 21 для нужд потребителя, и затем поступает в батареи отопления 23 для нагрева здания.

В случае использования в автономной системе дополнительного теплообменника 27 (обычно его используют в теплое время года, когда не требуется обогрев здания) отключают от автономной системы батари отопления 23 с помощью вентилей и нагретая вода поступает в дополнительный теплообменник 27, где вода охлаждается до более низкой температуры, чем в батареях отопления 23. Например, вследствие заглубления труб теплообменника 27 в мокрый грунт или колодец можно обеспечить большую мощность турбины 4 и электрогенератора 6 и больший коэффициент полезного действия преобразователя тепловой энергии в электрическую энергию. Третий насос 26 подает воду из теплообменника 3 в водогрейный котел 1.

Турбина работает следующим образом.

Пар подают от отдельных емкостей 2 через дроссельные клапаны 14 по отдельным трубопроводам 15 в радиальные патрубки 34 через сопла 35 во внутреннюю осевую цилиндрическую полость 8 цилиндрического ротора 7 тангенциально его внутренней поверхности 10, после его расширения и ускорения до максимальной скорости в соплах 35, которая намного больше, чем скорость с внутренней поверхности 10 цилиндрического ротора 7. Далее пар поступает к сквозным прорезям 9, где его скорость при угле входа 90° в сквозной прорези 9 затормаживается до окружной скорости внутренней поверхности 10 цилиндрического ротора 7, создавая основной момент вращения и обеспечивая основную мощность турбины. Одновременно пар, подающийся во внутреннюю осевую цилиндрическую полость 8, и вращаясь вместе с цилиндрическом ротором 7, создает на сквозных прорезях 9 центробежный перепад давления, под действием которого происходит истечение пара из сквозных прорезей 9 со скоростью, близкой к окружной скорости цилиндрического ротора 7, что создает дополнительный реактивный момент вращения и дополнительную мощность турбины при минимальной абсолютной скорости пара и потерях энергии на выходе. В результате цилиндрический ротор 7 получает суммарный максимальный момент вращения и развивает максимальную мощность. От вращающегося цилиндрического ротора 7 вращение передается через вал 5 на электрогенератор 6. Далее пар поступает в корпус 12 турбины 4 и через выход 13 уходит из турбины 4 для последующей конденсации в подогревателе 17. При подаче пара через радиальные патрубки 34 и сопла 35, обтекаемые снаружи паром с малым аэродинамическим сопротивлением, обеспечиваются минимальные потери энергии на трение пара, вращающегося вместе с цилиндрическим ротором 7 в его цилиндрической полости 8, о неподвижные радиальные патрубки 34 и сопла 35 и увеличивается получаемая механическая энергия в турбине 4. При движении пара по плавным изгибам сквозных прорезей 9 и по их прямоугольным поперечным сечениям, оси которых на входе направлены по радиусу цилиндрического ротора 7, а на выходе из цилиндрического ротора 7 направлены к касательной в точке выхода из ротора под углом не более 15°, обеспечиваются минимальные потери реактивной тяги, действующие на сквозные прорези 9 цилиндрического ротора 7, и, соответственно, обеспечиваются минимальные потери момента вращения и мощности турбины 4. При движении пара через сквозные прорези 9 с прямоугольным поперечным сечением в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии прорези с соотношением неравных сторон, выбираемым из диапазона 2,0-3,0, снижаются гидравлические потери, приводящие к увеличению механической энергии, получаемой в турбине.

При движении потока пара через сквозные прорези 9 при отношении расстояния между наружным и внутренним радиусами цилиндрического ротора R_н и R_вн к высоте сквозной прорези h, равной кратчайшему расстоянию между изгибами сквозной прорези, (R_н-R_вн)/h=2-3 и отношении внутреннего радиуса цилиндрического ротора R_вн к расстоянию между наружным и внутренним радиусами ротора R_н и R_вн, которая составляет R_вн/(R_н-R_вн)=20-25, обеспечиваются минимальные гидравлические потери и максимальный момент вращения цилиндрического ротора 7 от воздействия потока пара на сквозные прорези 9 на максимальном внутреннем радиусе R_вн, что увеличивает механическую энергию, получаемую в турбине 4.

Изобретение относится к области теплотехники и предназначено для автономного отопления и горячего водоснабжения зданий индивидуального пользования (коттеджей, отдельно стоящих жилых домов), а также к турбинам для привода электрогенераторов и другого. Технический результат: обеспечение обогрева и горячего водоснабжения зданий индивидуального пользования с одновременным получением электрической энергии для нужд здания и при давлении пара 2 бар и температуре пара менее 120°С в парогенераторной установке, а в заявленной турбине - увеличение механической энергии. Автономная система отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования содержит парогенераторную установку, турбину, соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, выход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен с входом первого насоса, а его выход с парогенераторной установкой, выход батарей отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя. Парогенераторная установка выполнена из водогрейного котла для квартирного отопления, не менее чем двух последовательно установленных емкостей и проходящего через них теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, вход которого соединен с выходом водогрейного котла, а выход - с входом водогрейного котла теплообменника. Соединение выхода первого насоса с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей парогенераторной установки через поплавковые клапаны, установленные в каждой из емкостей. Турбина выполнена в виде цилиндрического ротора с внутренней осевой полостью с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора не менее чем двумя неподвижными каналами, а также корпуса с выходом для рабочего тела, охватывающего цилиндрический ротор. Выход парогенераторной установки выполнен в виде выхода из верхней части каждой емкости, соединенного с соответствующим дроссельным клапаном, а вход турбины выполнен в виде отдельных трубопроводов, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом. Причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины выполнено соединением каждого отдельного трубопровода турбины с отдельным дроссельным клапаном, а автономная система снабжена бойлером с теплообменником, выход которого соединен с входом батарей отопления, а вход - с выходом теплообменника подогревателя, третьим насосом, вход которого соединен с выходом теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, а выход - с входом водогрейного котла. Также описана турбина. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Автономная система отопления и горячего водоснабжения для зданий индивидуального пользования, содержащая парогенераторную установку, турбину, соединенную валом с электрогенератором, подогреватель, два насоса, батареи отопления, соединенные гидравлически, выход парогенераторной установки соединен с входом турбины, выход турбины соединен с входом подогревателя, выход которого соединен с входом первого насоса, а его выход - с парогенераторной установкой, выход батарей отопления соединен через второй насос с входом теплообменника подогревателя, отличающаяся тем, что парогенераторная установка выполнена из водогрейного котла для квартирного отопления, не менее чем двух последовательно установленных емкостей и проходящего через них теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, вход которого соединен с выходом водогрейного котла, а выход - с входом водогрейного котла теплообменника, соединение выхода первого насоса с парогенераторной установкой выполнено с каждой из емкостей парогенераторной установки через поплавковые клапаны, установленные в каждой из емкостей, турбина выполнена в виде цилиндрического ротора с внутренней осевой полостью с равномерно расположенными по окружности сквозными прорезями и подводящими к внутренней поверхности ротора не менее, чем двумя неподвижными каналами, а также корпуса с выходом для рабочего тела, охватывающего цилиндрический ротор, выход парогенераторной установки выполнен в виде выхода из верхней части каждой емкости, соединенного с соответствующим дроссельным клапаном, а вход турбины выполнен в виде отдельных трубопроводов, каждый из которых соединен с соответствующим неподвижным каналом, причем соединение выхода парогенераторной установки с входом турбины выполнено соединением каждого отдельного трубопровода турбины с отдельным дроссельным клапаном, а автономная система снабжена бойлером с теплообменником, выход которого соединен с входом батарей отопления, а вход - с выходом теплообменника подогревателя, третьим насосом, вход которого соединен с выходом теплообменника, проходящего через емкости парогенераторной установки, а выход - с входом водогрейного котла.2. Автономная система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным теплообменником, вход и выход которого соединены через вентили соответственно с входом и выходом батарей отопления.3. Турбина, используемая в системе по любому из пп.1 и 2, содержащая цилиндрический ротор с внутренней осевой цилиндрической полостью и торцевыми стенками, установленными по бокам, а также равномерно расположенные по окружности сквозные прорези, направленные в одну сторону, и неподвижные каналы, подведенные к внутренней поверхности ротора, корпус с выходом для рабочего тела, охватывающий цилиндрический ротор, в одной торцевой стенке ротора выполнено осевое отверстие, в котором расположен подвод рабочего тела к неподвижным каналам, расположенный в осевом отверстии, характеризующаяся тем, что сквозные прорези выполнены с плавными изгибами, каналы расположены в, по меньшей мере, двух радиальных патрубках с установленными на их концах в одну сторону по окружности от оси соплами, направленными противоположно изгибу прорезей, оси каждого из сопел перпендикулярны плоскости, проходящей через ось соответствующего патрубка и ось ротора, подвод рабочего тела к неподвижным каналам выполнен в виде отдельных трубопроводов, размещенных вдоль оси ротора, и каждый трубопровод соединен с соответствующим радиальным патрубком, внутренняя поверхность цилиндрического ротора примыкает к соплам с зазором.4. Турбина по п.3, отличающаяся тем, что сквозные прорези в поперечном сечении выполнены прямоугольными с постоянной площадью поперечного сечения по их длине, ось каждой прорези на входе направлена по радиусу ротора, а на выходе ось каждой прорези направлена к касательной в точке выхода из ротора под углом не более 15°.5. Турбина по любому из пп.3 или 4, отличающаяся тем, что отношение расстояния между наружным и внутренним радиусами ротора R_н и R_вн к высоте сквозной прорези h, равной кратчайшему расстоянию между изгибами сквозной прорези (R_н-R_вн)/h=2-3 и отношение внутреннего радиуса ротора R_вн к расстоянию между наружным и внутренним радиусами ротора R_н и R_вн составляет R_вн/(R_н-R_вн)=20-25.6. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что прямоугольные поперечные сечения сквозных прорезей ротора в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии прорези, выполнены с соотношением неравных сторон, выбираемых из диапазона 2,0-3,0.7. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что прямоугольные поперечные сечения сквозных прорезей ротора в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии прорези, выполнены с соотношением неравных сторон, выбираемых из диапазона 2,0-3,0.8. Турбина по любому из пп.3 или 4, отличающаяся тем, что радиальные патрубки с установленными на них соплами выполнены обтекаемой формы.9. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что радиальные патрубки с установленными на них соплами выполнены обтекаемой формы.10. Турбина по п.6, отличающаяся тем, что радиальные патрубки с установленными на них соплами выполнены обтекаемой формы.11. Турбина по п.7, отличающаяся тем, что радиальные патрубки с установленными на них соплами выполнены обтекаемой формы.