МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2009 года по МПК F01K23/00 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных поверхностных и геотермальных вод, сбросных вод теплоэнергетических и других промышленных предприятий, а именно для трансформации низкопотенциальной тепловой энергии воды в электрическую.

Известно устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, конденсатор (конденсационную камеру), питательный насос, подогреватель и воздушный теплообменник [1].

Основными недостатками известного устройства являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников и получения электроэнергии, что снижает его эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплоэнергетическая установка, которая содержит замкнутый циркуляционный контур для хладоагента, включенные в него насос, теплообменник (испарительную камеру), турбину, конденсатор (конденсационную камеру) и расположенные на одном валу с ними разомкнутый воздушный контур, компрессор, турбину и двигатель - электрогенератор [2].

Основным недостатком известного устройства является невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов и тепловых ресурсов природных источников, что снижает его эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности теплоэнергетической установки при утилизации тепла воды, в том числе и низкопотенциального.

Технический результат реализуется в мультитеплотрубной электростанции (МТТЭС), содержащей испарительную камеру, турбину, питательный насос, конденсационную камеру и разомкнутые циркуляционные контуры по воздуху и воде, причем эти компоненты находятся в корпусе, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера (парогенератор), состоящая из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность которых частично покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, и соединенных открытым торцом с сепарационной секцией, внутренняя поверхность которой также покрыта сплошным слоем того же фитиля и в которой расположены передний и задний распределительные коллекторы, снабженные форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенная снизу глухой перегородкой, покрытой фитилем с перфорированным сепарационным элементом, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера, заполненная другим фитилем, через боковые стенки которой и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, а через патрубок мятого пара с конденсационной камерой, состоящей из распределительной секции, днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами, дно которых, в свою очередь, соединено с фитилем рабочей камеры осевыми фитилями, проходящими через центр конденсационных гильз, не касаясь внутренней поверхности их стенок, причем на наружной поверхности боковых стенок рабочей камеры устроены передний и задний питательные насосы, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле рабочей камеры и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал, на который насажены роторы питательных насосов, соединенных через напорные трубопроводы с передним и задним коллекторами испарительной камеры, причем конденсационные гильзы конденсационной камеры помещены в верхний короб, снабженный входным и выходным патрубками с вентилятором, размещенным на входе во входной патрубок верхнего короба, испарительные гильзы испарительной камеры помещены в нижний короб, снабженный входным и выходным патрубками, фильтром и насосом, размещенными на входе во входной патрубок нижнего короба, а выходной конец вала соединен с электрогенератором.

На фиг.1-5 представлена предлагаемая мультитеплотрубная электростанция (МТТЭС).

МТТЭС состоит из корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера 2, состоящая из испарительных гильз 3, соединенных своими открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля) 5, образующими между собой канавки 6, и сплошным слоем фитиля 5, соответственно, в которой размещены передний и задний распределительные коллекторы 7 и 8, соответственно, снабженные форсунками 9, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 3, отделенная снизу глухой перегородкой 10, также покрытой слоем фитиля 5, с перфорированным сепарационным элементом 11, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера 12, заполненная фитилем 13, через боковые стенки которой и слои фитиля 13 насквозь пропущен вал 14, на который насажено колесо силовой турбины 15, помещенной в корпус турбины 16, сообщающийся с испарительной камерой 2 через паровое сопло 17, соединенное со стыковочной кромкой перегородки 10, а через патрубок мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, состоящей из распределительной секции, 20 днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами 21, крышки которых, в свою очередь, соединены с фитилем 13 осевыми фитилями 22, проходящими через центр конденсационных гильз 21, не касаясь поверхности их внутренних стенок, причем на наружной поверхности торцевых стенок рабочей камеры 12 устроены передний и задний питательные насосы 23 и 24, соответственно, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости 25 и 26, соответственно, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле 13 и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал 14, на который насажены роторы насосов 23 и 24, соединенные через напорные трубопроводы 27 и 28 с передним и задним коллекторами 7 и 8 испарительной камеры 2, соответственно, причем гильзы 21 конденсационной камеры 19 помещены в верхний короб 29, снабженный входным и выходным патрубками 30 и 31, соответственно, вентилятором 32, размещенным на входе в патрубок 30, испарительные гильзы 3 испарительной камеры 2 помещены в нижний короб 33, снабженный входным и выходным патрубками 34 и 35, соответственно, фильтром 36 и насосом 37, размещенными на входе в патрубок 34, а выходной конец вала 14 соединен с электрогенератором 38.

В основе работы предлагаемой МТТЭС лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [3, с.117] и, таким образом, получается механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую, а также высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4, с.146, 5, с.106].

Предлагаемая МТТЭС работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы из камер 2, 9, 17 удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (наружного воздуха и воды), отдельно в испарительную камеру 2 до полного насыщения фитиля 5 и совместно в рабочую и конденсационную камеры 12 и 19, соответственно (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны), в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 13 и 22, резервуаров рабочей жидкости 25, 26, насосов 23, 24 и напорных трубопроводов 27, 28 с коллекторами 7 и 8. После этого корпус 1 МТТЭС устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 2 с испарительными гильзами 3 контактировала с водной (горячей) средой, а конденсационная камера 10 с конденсационными гильзами 21 с воздушной (холодной). Для этого МТТЭС помещают в водоем, погружая короб 33 с испарительными гильзами 3 до полного его заполнения или соединяя его с источником водоснабжения, и запускают насос 37 и вентилятор 32, в результате чего в корпусе 1 создаются разомкнутые контуры циркуляции воды и воздуха. Непрерывная циркуляция воды и воздуха обеспечивает интенсивный теплообмен рабочего тела (пара и жидкости) в конденсационной и испарительной камерах 10 и 2 с водной и воздушной средами за счет создания в коробах 33 и 29 турбулентных потоков. В результате нагрева испарительных гильз 3 испарительной камеры 2 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 6, находящейся в фитиле 5, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 2, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный элемент 11, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 5 и транспортируется им в испарительные гильзы 3, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса силовой турбины 15, вращая его совместно с валом 14, который сообщает вращательное движение роторам питательных насосов 23 и 24 и ротору электрогенератора 38, который начинает вырабатывать электроэнергию и подавать ее потребителям. При этом в корпусе турбины 16 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19 через распределительную секцию 20, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения, откуда равномерно распределяется по конденсационным гильзам 21, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности конденсационных гильз 21 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается подъемными фитилями 22 в поры фитиля 13, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосами 23 и 24 адиабатно [5, с.106], транспортируется в резервуары рабочей жидкости 25 и 26, откуда насосами 23 и 24 через напорные трубопроводы 27 и 28, коллекторы 7 и 8 и форсунки 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 2, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 3, испаряется с поверхности канавок 6, и в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется. При этом парная установка питательных насосов 23 и 24, резервуаров 25 и 26, напорных трубопроводов 27 и 28 коллекторов 7 и 8 с форсунками 9 обусловлена необходимостью обеспечения равномерной нагрузки на фитиль 13 и равномерного распределения рабочей жидкости в испарительные гильзы 3.

Скорость вращения колеса турбины 15 и, соответственно, выработка электроэнергии МТТЭС возрастает с увеличением разности температур между водой и наружным воздухом и, таким образом, увеличивается в зимнее время, т.е. в период, когда резко возрастает энергопотребление. Кроме того, МТТЭС имеет значительные перспективы для применения в районах высоких широт, в которых наружный воздух на протяжении всего года имеет отрицательную температуру.

Таким образом, предлагаемая МТТЭС обеспечивает возможность получения электрической энергии за счет утилизации тепловых энергоресурсов вод различного потенциала, в том числе и низкопотенциальных (энергии поверхностных и геотермальных вод, сбросных вод и т.д.), в значительном количестве за счет наличия множества тепловых труб, многократно увеличивающих площадь контакта с горячей и холодной средами, что позволяет использовать ее в промышленных масштабах и обеспечивает его высокую эффективность особенно в районах высоких широт.

Литература

1. А.с. №769038, Мкл. F01K 17/06, F01B 25/10, 1980.

2. А.с. №1460554, Мкл. F25B 11/00, F01K 23/04, 1989.

3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.

4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, 496 с.

5. В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, 170 с.

6. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: - 1990, 157 с.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных энергоресурсов и низкопотенциальной энергии природных источников. Мультитеплотрубная электростанция содержит внутри корпуса по ходу движения пара испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность которых частично покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, сепарационную секцию, в которой расположены передний и задний распределительные коллекторы, снабженные форсунками, отделенную снизу глухой перегородкой, покрытой фитилем с сепарационным элементом, рабочую камеру, заполненную другим фитилем, через боковые стенки которой и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, а через патрубок мятого пара с конденсационной камерой, состоящей из распределительной секции и конденсационных гильз, дно которых также соединено с фитилем рабочей камеры осевыми фитилями, причем на наружной поверхности боковых стенок рабочей камеры устроены передний и задний питательные насосы, соединенные с передним и задним резервуарами рабочей жидкости, по центральной оси которых проходит вал, на который насажены роторы питательных насосов, соединенных через напорные трубопроводы с передним и задним коллекторами испарительной камеры, а вал соединен с электрогенератором. Изобретение позволяет повысить эффективность теплоэнергетической установки. 5 ил.

Мультитеплотрубная электростанция, содержащая испарительную камеру, турбину, питательный насос, конденсатор, разомкнутые контуры циркуляции по воздуху и воде, электрогенератор, отличающаяся тем, что эти компоненты находятся в корпусе, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера, состоящая из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность которых частично, покрыта полосами фитиля, образующими между собой канавки и соединенных открытым торцом с сепарационной секцией, внутренняя поверхность которой также покрыта сплошным слоем того же фитиля и в которой расположены передний и задний распределительные коллекторы, снабженные форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенная снизу глухой перегородкой, покрытой фитилем с перфорированным сепарационным элементом, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера, заполненная фитилем, через боковые стенки которой и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, а через патрубок мятого пара - с конденсационной камерой, состоящей из распределительной секции, днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами, дно которых, в свою очередь, соединено с фитилем рабочей камеры осевыми фитилями, проходящими через центр конденсационных гильз, не касаясь внутренней поверхности их стенок, причем на наружной поверхности боковых стенок рабочей камеры устроены передний и задний питательные насосы, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле рабочей камеры и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал, на который насажены роторы питательных насосов, соединенных через напорные трубопроводы с передним и задним коллекторами испарительной камеры, причем конденсационные гильзы конденсационной камеры помещены в верхний короб, снабженный входным и выходным патрубками с вентилятором, размещенным на входе во входной патрубок верхнего короба, испарительные гильзы испарительной камеры помещены в нижний короб, снабженный входным и выходным патрубками, фильтром и насосом, размещенными на входе во входной патрубок нижнего короба, а выходной конец вала соединен с электрогенератором.