УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА Российский патент 2011 года по МПК F28F27/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области устройств для утилизации тепла.

Уровень техники

Утилизация тепла от газовых турбин является обычным способом обеспечения тепла для производства пара и горячей воды на морских установках. Часто возникает потребность в больших количествах тепла, необходимого для использования в нефтедобыче или для других тепловых нагрузок. В последнее время были изучены возможности по рекуперации тепла для производства пара для закачивания в газовые турбины с целью уменьшения выбросов NO_x в атмосферу.

Утилизация тепла обычно происходит путем обеспечения возможности протекания выпускаемого из газовой турбины тепла через трубчатый теплообменник с тем, чтобы тепло было передано на систему, использующую в своей работе жидкость или пар

Общим для этих устройств утилизации тепла является то, что все они очень большие и тяжелые. Типичное устройство для выработки горячей воды весит около 50 тонн и имеет габариты 10×8×14 метров (ширина×длина×высота) Обычно это не составляет проблему на суше, где часто бывает достаточно места, но может оказаться проблемой на морских установках, где пространство ограничено Это утверждение особенно справедливо для существующих платформ, испытывающих потребность в дополнительном тепле.

Причина, вследствие которой эти устройства так велики, заключается обычно в необходимости регулирования количества выпуска, которое необходимо подать на устройство для утилизации тепла. Поэтому зачастую бывает необходимо иметь байпасную систему, которая является очень крупногабаритной. В настоящее время принято регулировать объем подачи отработавшего тепла посредством заслонки. При этом либо заслонка является однолопастной, так что (как можно видеть при рассмотрении газовой турбины) выпускной тракт всегда будет открытым, либо в главном трубопроводе устанавливается один комплект заслонок, а второй комплект устанавливается в байпасном трубопроводе, при этом указанные комплекты работают совместно. Недостаток этого последнего решения заключается в том, что неполадки в работе (как можно видеть при рассмотрении газовой турбины) могут привести к забиванию выходного отверстия.

Помимо теплообменника типовое устройство для утилизации тепла содержит глушитель, регулирующий клапан, байпасную систему, корпус теплообменника и вытяжную трубу выходного отверстия.

Патент США 6302191 предлагает другое решение, которое имеет встроенный байпасный трубопровод. В этом случае теплообменник располагается в кольцевом пространстве, которое составляет часть выпускного трубопровода. Кольцевое пространство ограничивается на внутренней стороне задвижкой цилиндрического клапана, которая одновременно образует наружную границу байпасного канала. Задвижка клапана может перемещаться по оси между двумя крайними положениями. В верхнем положении задвижка клапана открывается для выпуска на теплообменник и закрывается к байпасу, а в нижнем положении она открывает байпас и закрывается к теплообменнику. В средних положениях выпуск разделяется между теплообменником и байпасом.

На морской установке задвижка цилиндрического клапана, соответствующая документу US 6302191, будет иметь диаметр около 3 метров, и длину 5-10 метров. Она должна будет иметь такую опору, чтобы ее можно было простым способом перемещать в осевом направлении, поскольку полное регулирование выпуска базируется на осевом перемещении цилиндра. Для минимизации трения это вызывает необходимость в подшипниках скольжения или в роликовых подшипниках, а также делает необходимым, чтобы толщина стенки была достаточно большой с тем, чтобы избежать деформаций (прогибов) во время перемещений цилиндра, а также вследствие многократного нагревания и охлаждения (рабочие температуры, как правило, составляют 600°C). Из-за этого цилиндр оказывается большим и тяжелым. Кроме того, его приходится опирать на сложные подшипники, которые будут находиться в горячем выпуске, т.е будет создаваться ситуация, которая в подобного рода применениях вызывала проблемы. При этом доступ к подшипникам без разборки всего устройства очень затруднен.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для утилизации тепла вышеупомянутого типа, которое является простым и недорогим в изготовлении, имеет небольшой вес и при этом может легко регулироваться относительно точным способом.

В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается с помощью устройства для утилизации тепла, охарактеризованного в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления охарактеризованы в зависимых пунктах.

Регулирующий клапан, соответствующий настоящему решению, имеет относительно короткое и точное угловое перемещение с целью регулирования объема выпуска, подаваемого на теплообменник. Следовательно, поскольку нет необходимости поднимать вес большого и тяжелого клапанного элемента, и требуется лишь преодолеть трение для регулирования выпуска, нужна небольшая сила. Кроме того, настоящее решение может базироваться на обычных подшипниках для валов относительно небольшого диаметра, которые могут работать при высоких температурах. Они встречаются в целом ряде хорошо отработанных применений. Эти подшипники маленькие, и при разумном расположении их можно проверять и простым способом заменять без необходимости разборки всего устройства. Это позволит существенно упростить техническое обслуживание.

В настоящее время с целью понижения уровня шума в выпускных трубопроводах принято также использовать внутреннюю изоляцию. Настоящее решение делает установку такой изоляции более простой.

Краткое описание чертежей

Далее для лучшего понимания изобретение будет более подробно описано со ссылкой на иллюстрирующий вариант осуществления, показанный на прилагаемых чертежах, на которых:

фигура 1 представляет собой перспективный вид частей устройства для утилизации тепла с местным сечением, соответствующего данному изобретению, с регулирующим клапаном, находящимся в среднем положении;

фигура 2 показывает то же самое устройство, но с регулирующим клапаном, который закрыт в направлении теплообменника;

фигура 3 показывает изображение устройства по фиг.2 в разобранном виде,

фигура 4 показывает схематическое поперечное сечение регулирующего клапана, и

фигура 5 показывает продольное сечение альтернативного варианта осуществления устройства для утилизации тепла, соответствующего изобретению.

Осуществление изобретения

Устройство для утилизации тепла, обозначенное на всех фигурах под номером 1, установлено в выпускном трубопроводе 2, который может выходить, например, из газовой турбины. Устройство для утилизации тепла содержит теплообменник 3, при этом на фигуре показана только его часть. Теплообменник расположен в кольцевом пространстве 4, которое составляет часть выпускного трубопровода и ограничено наружной стенкой 5 (частично удаленной) и внутренней стенкой 6. За пределами теплообменника 3 внутренняя стенка 6 одновременно образует байпасный трубопровод 6.

На стороне входа кольцевого пространства 4 для теплообменника 3 с целью регулирования распределения протекающего выпуска между теплообменником 3 и байпасным трубопроводом 6 располагается регулирующий клапан 7. Регулирующий клапан 7, который можно назвать поворотной заслонкой, имеет неподвижную часть 8 и поворотную часть 9, которая и составляет заслонку. Обе эти части клапана снабжены отверстиями 10, 11 и 12, 13, соответственно которые могут совмещаться в парах 10, 12; 11, 13 или закрываться другой частью клапана. Отверстия 10, 12 обращены к кольцевому пространству 4, в то время как остальные отверстия 11, 13 обращены к байпасному трубопроводу 6. При такой конструкции одновременно закрыть все отверстия будет невозможно.

И неподвижная часть 8, и поворотная часть 9 регулирующего клапана 7 имеют две конические части. Одна из конических частей 8a, 9a располагается на внутренней стороне другой конической части 8b, 9b и имеет противоположно направленную конусность. Части являются концентрическими, причем наружная часть 8b, 9b имеет форму усеченного конуса и на своем узком конце присоединяется к основанию внутренней полностью конической части 8a, 9a. Верхний угол наружной части 8b, 9b, имеющей форму усеченного конуса, немного меньше, чем верхний угол внутренней части 8a, 9a. Углы и высоты двух конических частей могут варьироваться, но, предпочтительно, чтобы они имели приблизительно одинаковую площадь поверхности с тем, чтобы у отверстий 10-13, которые могут быть выполнены в конических частях, площадь была одинаковой. Благодаря этому, скорость протекания выпускаемых газов через отверстия оказывается, по существу, одинаковой, независимо от того, подается ли выпуск через пространство 4 теплообменника 3 или же направляется в байпасный трубопровод 6 Эта скорость не должна быть существенно больше величины 30 метров в секунду.

Поворотная часть 9 регулирующего клапана 7 имеет центральный вал 14, который монтируется на оси с возможностью вращения в подшипнике 15, который фиксируется на месте с помощью радиальных связей 16 или кронштейнов, закрепленных в выпускном трубопроводе 2 или, в качестве альтернативы, в неподвижной части регулирующего клапана 7. Вал 14 может поворачиваться посредством рычага 17 и подвижной тяги 18, проходящей за пределы выпускного трубопровода 2. Посредством тяги 18 вал 14 может поворачиваться с тем, чтобы регулировать отверстия 10-13 в регулирующем клапане. На фигуре 1 поворотная часть 9 расположена относительно неподвижной части 8 таким образом, что все отверстия 10-13 наполовину закрыты. Если потянуть за тягу 18, то отверстия 10, 12 можно закрыть еще больше, в то время как отверстия 11, 13 будут открыты до тех пор, пока не будет достигнуто относительное расположение, показанное на фигуре 2, на которой отверстия 10 в направлении теплообменника полностью закрыты, а отверстия 11 в направлении байпасного трубопровода 6 полностью открыты. Следует понимать, что клапан 7 может принимать любое положение между полностью открытым и полностью закрытым в направлении теплообменника 3, а также то, что клапан будет оставаться в своем отрегулированном среднем положении, среди прочего, вследствие трения между частями 8, 9, если на него не воздействовать подвижной тягой 18. Следовательно, для поддержания заданного положения клапана никакой внешней силы не требуется.

Сечение, схематически показанное на фигуре 4, выполнено перпендикулярно продольной оси устройства для утилизации тепла рядом с переходом между обращенными в противоположных направлениях коническими участками Регулирующий клапан 7 находится, по существу, в том же положении, что и на фигуре 1, т.е. со всеми наполовину открытыми отверстиями, так что выпуск будет распределяться между кольцевым пространством 4 теплообменника и байпасным трубопроводом 6. Здесь можно видеть, что краевые участки отверстий 10 во внешней части 8b неподвижной части 8 снабжены ребрами 19, которые формируют упоры для уплотнительных (герметизирующих) элементов 20. Соответственным образом, краевые участки отверстий 12 во внешней части 9b поворотной части 9 имеют ребра 21, которые путем закрывания отверстий 10, 12 в направлении кольцевого пространства 4 будут упираться в уплотнительные элементы 20, и тем самым обеспечивать хорошую герметизацию от теплообменника в тех случаях, когда это желательно, например, если на теплообменнике необходимо провести техническое обслуживание, в то время как остальная часть установки работает. Внутренние части 8a, 9a регулирующего клапана 7 также снабжены ребрами 22 и 23 соответственно, которые упираются друг в друга, когда отверстия 11, 13 в направлении байпасного трубопровода 6 закрыты и образуют простое лабиринтное уплотнение. Сами ребра 22, 23 могут быть снабжены выступающими ребрами, которые могут совмещаться друг с другом таким образом, чтобы сформировать более эффективное лабиринтное уплотнение. Имеется также ряд других уплотнений, которые специалисту в данной области техники хорошо известны и могут быть с успехом использованы в настоящем изобретении.

Фигура 5 показывает продольное сечение регулирующего клапана по альтернативному варианту осуществления. Здесь центральная опора с валом 14 в подшипнике 15 заменена кольцом 24 на поворотной части 9, которое принимается в кольцеобразном кармане 25. Карман 25, а возможно, и неподвижная часть 8, снабжены антифрикционными элементами (не показаны) с целью поддержания центрального положения поворотной части 9 и недопущения заедания поворотной части при ее вращении. Вращательное движение может быть осуществлено несколькими различными способами, которые для специалиста в данной области техники будут очевидны, и предпочтительно, в соединении с кольцеобразным карманом 25.

Следует отметить, что регулирующий клапан в иллюстрирующих вариантах осуществления, которые описаны выше, имеет четыре отверстия в направлении теплообменника и байпасного трубопровода. Количество отверстий в направлении теплообменника может быть увеличено в случае, если будет желание получить более равномерное распределение выпуска, протекающего в теплообменник. Однако уже установлено, что четыре отверстия обеспечивают достаточно хорошее распределение, обеспечивая при этом конструктивное решение, которое является прочным, надежным и экономичным.

Следует понимать, что изобретение не ограничивается иллюстрирующими вариантами осуществления, которые описаны выше, но может быть модифицировано и изменено специалистом в данной области техники в объеме нижеследующих пунктов формулы изобретения. Несмотря на то, что конструкция, имеющая два противоположно направленных конических участка, становится компактной и прочной, имеется возможность варьировать форму частей между плоской формой и цилиндрической и, тем не менее, получить некоторые из преимуществ настоящего изобретения. Следует также иметь в виду, что, если требуется получить особо тщательное закрытие выпуска от теплообменника, то клапан, соответствующий данному изобретению, может быть установлен на обоих концах теплообменника.

Несмотря на то, что оба иллюстрирующих варианта осуществления изобретения, которые описаны выше, имеют вертикальную ориентацию, специалисту в данной области техники будет понятно, что устройство может быть ориентировано в горизонтальном направлении или же иметь любую другую ориентацию, если это будет желательно. Чертежи показывают только половину устройства для утилизации тепла. Естественно, что в другой половине будет вполне естественным объединить кольцевое пространство 4 и байпасный трубопровод 6 в общий трубопровод.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к устройствам для утилизации тепла. Устройство для утилизации тепла содержит теплообменник (3), который расположен в кольцевом пространстве (4), составляющем часть выпускного трубопровода (2), отходящего, например, от газовой турбины или дизельного двигателя. Байпасный трубопровод (6) для выпуска проходит через кольцевое пространство (4), а распределение выпускного потока через теплообменник (3) и байпасный трубопровод (6) регулируется посредством регулирующего клапана (7). Регулирующий клапан (7) представляет собой поворотную заслонку (7), которая расположена в выпускном трубопроводе (2), примыкающем к теплообменнику (3), причем указанная поворотная заслонка (7) имеет неподвижную часть (8) и поворотную часть (9), которые снабжены отверстиями (10, 12; 11, 13), закрываемыми или совмещаемыми друг с другом. И неподвижная часть (8), и поворотная часть (9) имеют две конические противоположно направленные части (8а, 8b; 9а, 9b). Технический результат - создание простого и недорогого в изготовлении устройства для утилизации тепла, снижение веса и упрощение регулировки. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для утилизации тепла, содержащее теплообменник (3), установленный в кольцевом пространстве (4), образующем часть выпускного трубопровода (2), причем внутри кольцевого пространства (4) проходит байпасный трубопровод (6) для выпуска, регулирующий клапан (7), выполненный с возможностью регулирования распределения выпуска между теплообменником (3) и байпасным трубопроводом (6), при этом регулирующий клапан (7) представляет собой поворотную заслонку, которая расположена рядом с теплообменником (3) и имеет неподвижную часть (8) и поворотную часть (9), которые снабжены отверстиями (10-13), закрываемыми или совмещаемыми друг с другом, причем поворотная заслонка (7) имеет отдельные регулируемые отверстия (10, 12; 11, 13) в направлении теплообменника (3) и байпасного трубопровода (6) соответственно, при этом отверстия (10, 12) в направлении теплообменника (3) выполнены таким образом, что они открываются при закрытии отверстий (11, 13) в направлении байпасного трубопровода (6) и наоборот, отличающееся тем, что поворотная заслонка (7) установлена выше по потоку от теплообменника (3), а неподвижная часть (8), снабженная отверстиями (10) в направлении теплообменника (3), проходит между стенкой выпускного трубопровода (2) и байпасным трубопроводом (6) и имеет форму усеченного конуса или цилиндрическую форму.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотная часть (9) снабжена центральным валом (14), который поддерживается с возможностью вращения в подшипнике (15), закрепленном на месте с помощью радиальных связей или кронштейнов (16), удерживаемых в выпускном трубопроводе (2) или в неподвижной части поворотной заслонки (7), причем вал (14) установлен с возможностью поворота посредством рычага (17) и передающего усилие элемента (18), проходящего сквозь выпускной трубопровод (2).

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поворотная часть (9) снабжена кольцом (24), которое принимается в окружном неподвижном кармане (25), для предотвращения осевого и радиального перемещения поворотной части (9).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в кармане (25) предусмотрены антифрикционные элементы для способствования вращательному движению поворотной части (9).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что антифрикционные элементы также предусмотрены на неподвижной части (8).

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что вдоль, по меньшей мере, части отверстий (10, 12; 11, 13) в неподвижной части (8) и поворотной части (9) поворотной заслонки (7) расположены ребра (19, 21), которые служат в качестве упоров для уплотнений (20) между частями (8, 9).

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поворотная заслонка (7) имеет четыре отверстия как в направлении теплообменника (3), так и в направлении байпасного трубопровода (6).

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что отверстия (10, 12) поворотной заслонки (7) в направлении теплообменника (3) имеют, по существу, такую же площадь сечения потока, как и отверстия (11, 13) в направлении байпасного трубопровода (6).

9. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждая из неподвижной и поворотной частей (8, 9) имеет внешнюю часть (8b, 9b) в форме усеченного конуса и коническую внутреннюю часть (8а, 9а) с противоположно направленной конусностью.