РАЗГОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2012 года по МПК F04F5/08 F04F5/46 

Изобретение относится к безмашинному способу прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в жидкостных магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) и может быть использовано не только в стационарных и транспортных установках, но и в других комбинированных энергетических устройствах, утилизирующих излучаемое тепло существующих энергетических установок, повышая их кпд.

Известно устройство, где в качестве разгонного устройства рабочего тела перед каналом МГД-генератора установлен паровой инжектор («Техническая термодинамика», учебник для вузов, изд.2-е. - М.: Энергия, 1974 г., авторов академиков АН СССР Кириллина В.А., Сычева В.В., Шейндлина А.Е., гл. 12-3, стр.369, 19).

Недостатком известного устройства является низкая его эффективность при работе с жидкостными МГД-генераторами.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство, содержащее паровой инжектор с кольцевым пространством для подачи конденсирующей жидкости и используемое для подпитки водой паровых котлов, находящихся под повышенным давлением (см., например, «Паровозы. Общий курс. Конструкции и элементы теории» под ред. акад. Сыромятникова С.П. и проф. Чиркова А.А., М., 1954 г., с.262).).

Недостатком известного устройства является низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.

Целью изобретения является создание эффективных паровых инжекторов и использование их в качестве разгонных устройств для электропроводящей жидкости перед каналом жидкостного МГД-генератора и повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую.

Достижение указанной цели обеспечивается в разгонном устройстве, состоящем из расширяющегося парового сопла с множеством струйных форсунок для подачи конденсирующей жидкости и расположенных в общем корпусе смесителя и диффузора, при этом струи конденсирующей жидкости, выходящие из форсунок, ориентированы по потоку пара, а сами форсунки установлены, по крайней мере, двумя каскадами внутри сопла, равномерно по окружности и в непосредственной близости к ядру потока пара.

Достижение указанной цели также обеспечивается тем, что, по крайней мере, два паровых сопла расположены в одной плоскости под наклоном так, чтобы продолжение их осей сходились в центре выходного отверстия из смесителя.

Достижение указанной цели также обеспечивается тем, что оно снабжено дополнительной направляющей воронкой, установленной в средней части смесителя.

Достижение указанной цели также обеспечивается тем, что расширяющееся паровое сопло выполнено выпуклой формы с углом раскрытия на входе не менее 45°.

Достижение указанной цели также обеспечивается тем, что оно снабжено обмоткой соленоида, установленной в месте сопряжения смесителя и диффузора.

Достижение указанной цели также обеспечивается тем, что оно снабжено перепускным клапаном с всасывающей полостью пускового насоса, которая соединена с внутренней полостью корпуса смесителя и диффузора.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображен продольный разрез разгонного устройства, работающий на расплавленном щелочном металле Калии (К).

Разгонное устройство состоит, например, из семи расширяющихся паровых сопел 1, оси которых сходятся в одной точке в районе отверстия выхода из смесителя 2. Подводящие трубопроводы паровых сопел оснащены вентилями 3, 4, 5 таким образом, чтобы можно было не только регулировать расходы рабочего тела в широких пределах, но и полностью отключать часть из них во время работы, например, трех сопел, расположенных по окружности через одно путем закрывания вентиля 3 или 5, сохраняя симметричность потоков пара на входе в смеситель 2. Возможна также работа и на одном, центральном сопле, что соответствует «холостому ходу» работы устройства, открыв только вентиль 4 при закрытых вентилях 3 и 5.

В каждом паровом сопле 1 имеется, например, по шесть струйных форсунок конденсирующей жидкости 6, расположенных внутри равномерно и по окружности вблизи от входного отверстия сопла, направленных по потоку к центру выходного отверстия из смесителя 2 и образующих 1-й каскад конденсирующих форсунок. Второй каскад конденсирующих форсунок 7 расположен в средней части паровых сопел 1, установленных также по потоку и направленных к центру выходного отверстия из смесителя 2. Струи конденсирующей жидкости 8 не должны сталкиваться между собой или с какими-либо конструкционными элементами разгонного устройства. Сумма проходных сечений всех форсунок конденсирующей жидкости 6, 7 должна быть примерно равной сумме проходных сечений всех сопел 1. Подводящие трубопроводы к форсункам 6, 7 оснащены вентилями 9, 10, 11, 12 и 13, которые позволяют регулировать расходы конденсирующей жидкости в широких пределах, а также отключать часть из них полностью во время работы, сохраняя равномерность подачи рабочего тела в поперечном сечении разгонного устройства.

Смеситель 2, следующий за блоком паровых сопел 1, имеет вогнутую форму, напоминающую входную часть сопла Лаваля, и оборудован дополнительной направляющей воронкой 14 для улучшения условий сбора высокоскоростного потока капель сконденсировавшегося пара и конденсирующей жидкости в более плотный поток, способный пройти через входное отверстие диффузора 15, который установлен в корпусе 16, внутренняя полость которого соединена через перепускной (сильфонный) клапан 17 со всасывающей полостью 18 пускового электромагнитного насоса (не показан), обеспечивающего начальную принудительную циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру до условий, когда в диффузоре произойдет резкий скачок давления и рабочее тело превратится в сплошной поток жидкости повышенного давления. Для облегчения условий запуска разгонное устройство может быть оснащено также обмоткой соленоида 19, включаемого только на время запуска и выхода на расчетные режимы работы.

Заявляемое разгонное устройство запускается и работает следующим образом. Открывают вентили 9, 10 и 11 для подачи конденсирующей жидкости первого каскада форсунок, затем поочередно открываются вентили 12 и 13 второго каскада форсунок, контролируя прохождение всех струй конденсирующей жидкости через узкое сечение смесителя 2. В случае заполнения смесителя 2 перекрывают один из вентилей второго каскада 12 или 13 или включают соленоид 19. Внутри разгонного устройства устанавливается температура, соответствующая давлению насыщающих паров конденсирующей жидкости, в рассматриваемом случае, это, например, расплавленного щелочного металла Калия, имеющего температуру не более 200°С. Затем открывают вентили 3-5 перегретого рабочего тела (Калия), имеющего температуру более 760°С. В паровых соплах 1 перегретый Калий превращается в пар, и адиабатически расширяясь, разгоняется до звуковых скоростей (для Калия это составляет, примерно, 1000 м/с). Пар разгоняет конденсирующее рабочее тело, одновременно конденсируясь на его поверхностях. Вентилями конденсирующего рабочего тела 9-13 устанавливают такие расходы рабочего тела, при которых работа разгонного устройства будет наиболее эффективной. В процессе выхода на расчетный режим возможно заполнение внутренней полости корпуса 16 рабочим телом, это сопровождается некоторым повышением в нем давления, которое откроет перепускной клапан 17 на время, пока не установится необходимая скорость движения смеси пара и жидкости, примерно равная 500 м/с. Эта высокоскоростная смесь несконденсировавшегося пара и конденсирующей жидкости, попадая на вход в диффузор 15, замедляется в расширяющемся канале диффузора с некоторым повышением давления до условий, когда произойдет резкий скачок давления и рабочее тело превратится в сплошной поток жидкости в полости 18 повышенного давления, способного выполнить полезную работу в канале МГД-генератора и обеспечить циркуляцию рабочего тела в замкнутом контуре без каких-либо дополнительных насосов, а именно за счет освобождения скрытой теплоты парообразования, переходящей в потенциальную энергию давления рабочего тела.

Реализация предложенной конструкции разгонного устройства позволит реализовать схему безмашинного способа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в жидкометаллических МГД-генераторах и создать новые перспективные энергетические установки стационарного и транспортного машиностроения.

Устройство предназначено для создания потока рабочего тела в замкнутом контуре циркуляции. Устройство состоит из парового сопла с множеством струйных форсунок для подачи конденсирующей жидкости и расположенных в общем корпусе смесителя и диффузора, при этом струи конденсирующей жидкости, выходящие из форсунок, ориентированы по потоку пара, а сами форсунки установлены, по крайней мере, двумя каскадами внутри сопла, равномерно по окружности и в непосредственной близи к ядру потока пара. Технический результат - повышение надежности работы устройства. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Разгонное устройство, состоящее из расширяющегося парового сопла с множеством струйных форсунок для подачи конденсирующей жидкости, смесителя и диффузора, расположенных в общем корпусе, при этом струи конденсирующей жидкости, выходящие из форсунок ориентированы по потоку пара, а сами форсунки установлены, по крайней мере, двумя каскадами внутри сопла, равномерно по окружности и в непосредственной близости к ядру потока пара.

2. Разгонное устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, два паровых сопла расположены в одной плоскости под наклоном так, чтобы продолжение их осей сходились в центре выходного отверстия из смесителя.

3. Разгонное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной направляющей воронкой, установленной в средней части смесителя.

4. Разгонное устройство по п.1, отличающееся тем, что расширяющееся паровое сопло выполнено выпуклой формы с углом раскрытия на входе не менее 45°.

5. Разгонное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено обмоткой соленоида, установленной в месте сопряжения смесителя и диффузора.

6. Разгонное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено перепускным клапаном с всасывающей полостью пускового насоса, которая соединена с внутренней полостью корпуса смесителя и диффузора.