Когенерационная энергетическая установка Российский патент 2024 года по МПК F02C6/18 

Изобретение относится к области энергетики, предназначено для одновременного производства тепловой и электрической энергии и может быть использовано в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов и, в частности, для отдаленных объектов жилого и производственного назначения.

В известных когенерационных энергетических установках (КЭУ) малой и средней единичной мощности, предназначенных для одновременной выработки тепловой и электрической энергии, коэффициент преобразования химической энергии сжигаемого органического топлива в выработанную энергию (КПД) достигает 90%, что значительно выше, чем на крупных тепловых электрических станциях с централизованным совместным производством тепловой и электрической энергии (ТЭЦ). Достигается это прежде всего за счет более глубокой утилизации теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в КЭУ.

Известны КЭУ с двигателями внутреннего сгорания, в частности: (патент РФ №2725583 С1, МПК С10 В 53/04, С01 В 3/40, опубл. 02.07.2020, бюл. №19; патент РФ №116186 U1, МПК F02G 5/04, опубл. 20.05.2012, бюл. №14), вал которых механически соединен с валом электрогенератора, вырабатывающего электрическую энергию. Тепловая энергия для передачи внешним потребителям вырабатывается в системе охлаждения двигателя и в теплоутилизационных устройствах, установленных на пути движения выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания топлива, отработавших в двигателе.

Более высокую единичную мощность имею КЭУ с паротурбинными и с газотурбинными двигателями.

В известных КЭУ с газотурбинными двигателями (см., например, патент РФ №2528214 С2, МПК F02C 6/18, F02C 7/08, опубл. 10.09.2014) доля вырабатываемой электрической энергии в суммарной производимой энергии может достигать 20-30%. В известных КЭУ с двигателями внутреннего сгорания и комбинированных КЭУ, имеющих в своем составе газовые и паровые турбинные двигатели и работающие по парогазовому циклу, а также для установок, где используется в качестве надстройки к паротурбинным и газотурбинным системам двигатель внешнего сгорания (двигатель Стерлинга), доля вырабатываемой электрической энергии может превышать 50%.

Известна когенерационная энергетическая установка, содержащая камеру сгорания топлива, парогенератор, паровой двигатель, включающий корпус, внутри которого расположен рабочий орган с приводом на вал, который механически соединен с электрогенератором, конденсатор пара, систему нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения с секционированной поверхностью теплопередачи, причем секции поверхности теплопередачи размещены в конденсаторе пара и в газоходе для продуктов сгорания топлива (см. патент РФ №2278279 С2, МПК F01K 3/20, F01K 7/12, опубл. 20.06.2004) - прототип. Ступенчатый отбор теплоты от потока продуктов сгорания в секциях поверхности теплопередачи для нагрева теплоносителей системы теплоснабжения в известном устройстве дает возможность расширить интервал регулирования соотношения долей вырабатываемых тепловой и электрической энергии и позволяет обеспечивать внешних тепловых потребителей теплоносителями с разным температурным уровнем.

Общим недостатком известных устройств (патент РФ №2278279 С2, МПК F01K 3/20, F01K 7/12, опубл. 20.06.2004) - прототип и аналогов (патент РФ №2725583 С1, МПК С10В 53/04, С01 В 3/40, опубл. 02.07.2020, бюл. №19; патент РФ №116186 U1, МПК F02G 5/04, опубл. 20.05.2012, бюл. №14; патент РФ №2528214 С2, МПК F02C 6/18, F02C 7/08, опубл. 10.09.2014) является сложность конструкции, трудоемкость и дороговизна изготовления двигателей, необходимость использования качественного, а, следовательно, дорогого топлива.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в упрощении устройства и повышении его эффективности, в обеспечении возможности использовать любое топливо, в том числе низкокачественное и горючие отходы.

Поставленная проблема решается тем, что когенерационная энергетическая установка, содержащая камеру сгорания топлива, парогенератор, паровой двигатель, включающий корпус, внутри которого расположен рабочий орган с приводом на вал, который механически соединен с электрогенератором, конденсатор пара, систему нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения с секционированной поверхностью теплопередачи, причем секции поверхности теплопередачи размещены в конденсаторе пара и в газоходе для продуктов сгорания топлива, выполнена с рабочим органом парового двигателя в виде диска, ось которого совмещена с осью вала, соединенного с электрогенератором, по наружной кромке диск охватывает цилиндрическое кольцо, на внешней поверхности которого с равным шагом установлены шарниры, оси которых параллельны друг другу и оси вала, соединенного с электрогенератором, на осях шарниров закреплены одной своей кромкой лопатки, снабженные упорами и имеющие возможность поворота, парогенератор размещен в нижней части корпуса парового двигателя под рабочим органом, между рабочим органом и парогенератором установлен направляющий лист для потока пара, конденсатор размещен в верхней части корпуса парового двигателя над рабочим органом, корпус парового двигателя выполнен с образованием подъемного канала для прохода пара и опускного канала для прохода жидкости, при этом подъемный и опускной каналы соединяют между собой пространства парогенератора и конденсатора пара, на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса парового двигателя закреплены своими концами дуговые ограничители, охватывающие с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца. Кроме того, парогенератор выполнен с поверхностью теплопередачи, состоящей из одного или нескольких рядов щелевых каналов для пропуска продуктов горения топлива, причем в каналах установлены ребристые вставки, в сечении прохода продуктов сгорания в камере сгорания топлива размещен неподвижный слой зернистых частиц катализатора.

В отличие от известной установки, совокупность отличительных признаков настоящего изобретения позволяет решить поставленную техническую проблему. Исполнение рабочего органа парового двигателя в виде диска, ось которого совмещена с осью вала, соединенного с электрогенератором, наличие охватывающего по наружной кромке диска цилиндрического кольца, на внешней поверхности которого с равным шагом установлены шарниры, оси которых параллельны друг другу и оси вала, соединенного с электрогенератором, на осях шарниров закреплены одной своей кромкой лопатки, снабженные упорами и имеющие возможность поворота, размещение парогенератора в нижней части корпуса парового двигателя под рабочим органом, размещение между рабочим органом и парогенератором направляющего листа для потока пара, размещение конденсатора пара в верхней части корпуса парового двигателя над рабочим органом, выполнение корпуса парового двигателя с образованием подъемного канала для прохода пара и опускного канала для прохода жидкости, при этом подъемный и опускной каналы соединяют между собой пространства парогенератора и конденсатора пара, закрепление на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса парового двигателя своими концами дуговых ограничителей, охватывающих с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца, значительно упрощает конструкцию устройства, обеспечивает простоту и технологичность его изготовления. Паровой двигатель может работать при давлениях рабочего тела «пар - жидкость» близких или равных атмосферному. При этом устраняется необходимость выдерживать жесткие допуски на зазоры между движущимися и неподвижными элементами в рабочих полостях, что требуется в известных устройствах для исключения перетоков рабочего тела, понижающих эффективность процесса преобразования энергии в двигателе. При близких к атмосферному давлениях рабочего тела и хорошей динамической уравновешенности парового двигателя установка выполняется облегченной, с малым весом, устраняется необходимость в жестком и тяжелом фундаменте.

В предлагаемой установке полезно используемая часть химической энергии сжигаемого топлива полностью затрачивается на покрытие тепловой нагрузки с помощью секционированной системы нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения. Электрическая энергия вырабатывается с помощью парового двигателя без дополнительных затрат на ее производство химической энергии сжигаемого топлива. В рабочем состоянии корпус парового двигателя заполнен жидкостью, обычно водой, уровень которой находится между конденсатором пара и рабочим органом парового двигателя. Образующийся в парогенераторе пар поступает в подъемный канал для прохода пара и занимает пространство между лопатками, шарнирно закрепленными на цилиндрическом кольце, охватывающем диск рабочего органа. Так как подъемный канал для прохода пара и опускной канал для прохода жидкости в верхней и нижней своих частях пространственно соединены между собой и образуют сообщающийся сосуд, то на пар и соответственно на лопатки действует выталкивающая пар подъемная сила Архимеда, передающаяся через цилиндрическое кольцо и диск на соединенный с электрогенератором вал, приводя его во вращательное движение. При таком беззатратном способе получении электрической энергии и при достаточно глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания используемого топлива, передаваемой в систему внешнего теплоснабжения, КПД установки может превышать 100%.

Исполнение парогенератора с поверхностью теплопередачи, состоящей из одного или нескольких рядов щелевых каналов для пропуска продуктов горения топлива и наличие установленных в каналах ребристых вставок, интенсифицирует процесс теплопередачи от продуктов горения топлива к кипящей жидкости, что позволяет уменьшить требуемую площадь поверхности теплопередачи и тем самым снизить габариты и вес парогенератора. Размещение в сечении прохода продуктов сгорания в камере сгорания топлива неподвижного слоя зернистых частиц катализатора, которые могут быть выполнены из твердых частиц пористого огнеупорного материала, например шамота, на который нанесен оксид никеля в количестве 0,5÷2,5% и оксид меди в количестве 1÷3% от всей массы катализатора (пат. РФ №2394643, опубл. 20.07.2020), исключает или сводит к минимуму выбросы NO_x, СО и токсичных кислородсодержащих соединений. Процессы каталитического реагирования идут при температурах выше 800°С. Катализатор в состоянии выдерживать температуру до 1400-2000°С. Наличие слоя катализатора позволяет сжигать в установке низкокачественное топливо и отходы не загрязняя при этом вредными выбросами окружающую среду.

Таким образом, совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную проблему.

Известные аналогичные устройства (патент РФ №2725583 С1, МПК С10В 53/04, С01В 3/40, опубл. 02.07.2020, бюл. №19; патент РФ №116186 U1, МПК F02G 5/04, опубл. 20.05.2012, бюл. №14; патент РФ №2528214 С2, МПК F02C 6/18, F02C 7/08, опубл. 10.09.2014) конструктивно более сложны, имеют меньшую энергетическую эффективность, трудоемки в изготовлении.

На фиг. 1 показан разрез предлагаемой когенерационной энергетической установки в вертикальной плоскости; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение В-В на фиг. 1.

Когенерационная энергетическая установка содержит камеру сгорания топлива 1, парогенератор 2, паровой двигатель 3, конденсатор пара 4. Паровой двигатель 3 включает корпус 5, внутри которого размещен парогенератор 2, конденсатор пара 4 и рабочий орган 6 с приводом на вал 7, который механически соединен с электрогенератором (на фиг. не показан). Рабочий орган 6 парового двигателя 3 выполнен в виде диска 8, ось которого совмещена с осью вала 7, соединенного с электрогенератором. По наружной кромке диск 8 охватывается цилиндрическим кольцом 9, на внешней поверхности которого с равным шагом установлены шарниры 10, оси которых параллельны друг другу и оси вала 7, соединенного с электрогенератором. На осях шарниров 10 закреплены одной своей кромкой лопатки 11, снабженные упорами 12 и имеющие возможность поворота. Между рабочим органом 6 и парогенератором 2 установлен направляющий лист 13 для потока пара. Корпус 5 парового двигателя 3 выполнен с образованием подъемного канала 14 для прохода пара и опускного канала 15 для прохода жидкости. Подъемный 14 и опускной 15 каналы соединяют между собой пространства парогенератора 2 и конденсатора пара 4 в корпусе 5. На двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса 5 парового двигателя 3 закреплены своими концами дуговые ограничители 16, охватывающие с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца 9. Секции 17 поверхности теплопередачи системы нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения размещены в конденсаторе пара 4 и в газоходе 18 для продуктов сгорания топлива.

Парогенератор 2 выполнен с поверхностью теплопередачи, состоящей из одного или нескольких рядов каналов 19 для пропуска продуктов горения топлива, которые могут быть выполнены щелевыми с установленными в них ребристыми вставками 20. В сечении прохода продуктов сгорания в камере сгорания топлива 1 размещен неподвижный слой 21 зернистых частиц катализатора.

Когенерационная энергетическая установка работает следующим образом.

Корпус 5 парового двигателя 3 заполняется жидкостью, обычно водой, свободная поверхность (уровень) которой располагается между конденсатором пара 4 и рабочим органом 6.

При сжигании топлива в камере сгорания 1, образующиеся газообразные продукты горения фильтруются через неподвижный слой 21 зернистых частиц катализатора, где осуществляется дожиг углеводородных соединений, содержащихся в продуктах горения, и нейтрализация вредных для окружающей среды газовых компонентов. Далее экологически безвредные продукты полного сгорания поступают в каналы 19 парогенератора 2, где отдают часть содержащейся в них теплоты через стенки каналов 19 окружающей их жидкости. Наличие ребристых вставок 20 в каналах 19 интенсифицирует процесс теплопередачи. Из каналов 19 продукты горения поступают в газоход 18, где расположены секции 17 поверхности теплопередачи системы нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения. В процессе теплопередачи продукты горения отдают теплоносителям в секциях 17 оставшуюся часть теплоты и затем выбрасываются в атмосферу с помощью дымовой трубы, соединенной с газоходом 18.

Жидкость, находящаяся в пространстве парогератора 2 между каналами 19, принимая теплоту от продуктов горения, закипает. Образующийся пар поднимается вверх и его поток, направляемый листом 13, поступает в подъемный канал 14 и заполняет пространства между лопатками 11, закрепленными одной своей кромкой на осях шарниров 10. Так как подъемный канал 14 сообщен с опускным каналом 15, заполненным жидкостью, то на пар в подъемном канале 14 действует подъемная архимедова сила, которая передается от пара на лопатки 11. Лопатки 11, имея возможность поворота относительно осей шарниров 10, в подъемном канале 14 принимают при этом радиальное положение (как показано на фиг. 1), которое устанавливается с помощью закрепленных на лопатках 11 упоров 12, ограниченных в своем поворотном движении цилиндрическим кольцом 9. Наличие действующей на лопатки 11 в подъемном канале 14 направленной вверх архимедовой силы создает односторонне действующий на рабочий орган 6 парового двигателя 3 момент силы, что приводит к образованию вращательного движения рабочего органа 6 (на фиг. 1 вращение по часовой стрелке) и соединенного с ним вала 7. При этом нагруженными в силовом отношении являются элементы рабочего органа 6 -лопатки 11, шарниры 10, цилиндрическое кольцо 9, диск 8. Минимизация зазоров между кромками лопаток 11 и стенками корпуса 5 парового двигателя 3, а также увеличение числа лопаток И на цилиндрическом кольце 9 способствуют снижению байпасных протечек пара в подъемном канале 14. На выходе из подъемного канала 14 в верхней его части пар продолжает движение вверх, освобождает пространства между лопатками 11, проходит через жидкость в верхней части корпуса 5 парового двигателя 3 между дуговыми ограничителями 16, закрепленными своими концами на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса 5 и охватывающими с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца 9. Выйдя из объема жидкости, пар поступает в конденсатор пара 4, где конденсируется, отдавая при этом теплоту конденсации через поверхность теплопередачи размещенной в конденсаторе пара 4 секции 17 теплоносителю системы внешнего теплоснабжения. Образующийся конденсат пара под действием силы тяжести стекает вниз, проходит между дуговыми ограничителями 16 и поступает в опускной канал 15, по которому перемещается в нижнюю часть корпуса 5 парового двигателя 3 и заполняет межканальное пространство парогенератора 2. Далее процесс фазового преобразования в системе жидкость - пар повторяется. Лопатки 11 при вращении рабочего органа 6 перемещаются в заполненный жидкостью опускной канал 15, вступают в скользящий контакт с дуговыми ограничителями 16 и поворачиваются относительно осей шарниров 10, принимая в опускном канале 15 положение показанное на фиг.1. В таком положении, которое соответствует наименьшему гидравлическому сопротивлению при движении лопаток 11 в жидкости, они достигают нижнего участка траектории своего движения и под действием сил тяжести и центробежной, возникающей при вращении рабочего органа 6, поворачиваются, принимая положение близкое к радиальному. В таком их положении межлопаточное пространство заполняется паром, поступающим от парогенератора. Последующее непрерывное протекание названных выше процессов в корпусе 5 обеспечивает постоянство вращения рабочего органа 6 парового двигателя 3 во времени.

Таким образом, осуществляется круговое движение рабочего тела и одновременно теплоносителя при фазовых переходах в паровом двигателе 3 с совершением работы за счет использования действующих на рабочее тело гравитационных сил. Получаемая работа трансформируется в механическую энергию рабочего органа 6 и вала 7, соединенного с электрогенератором. В результате, вырабатываемая в электрогенераторе электрическая энергия оказывается беззатратной, так как получаемая при сжигании топлива тепловая энергия практически полностью (с учетом теплового КПД) переходит от генерируемого пара и продуктов горения в систему нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения в секциях 17.

Пример исполнения. В когенерационной энергетической установке лопатки прямоугольной формы с длиной сторон 0,2 м и 1 м размещены на цилиндрическом кольце диаметром d рабочего органа парового двигателя. Давление в заполненном водой корпусе парового двигателя атмосферное. Вырабатываемая в установке электрическая мощность N=6,6 d² n, кВт, где n - число оборотов рабочего органа парового двигателя, 1/с. При d=2 м и n=21/с, например, величина N=56 кВт, а удельное ее значение, отнесенное к количеству вырабатываемого в парогенераторе пара, составляет 80 кВт/(кг пара/с). Удельная выработка электрической энергии в данной установке по отношению к вырабатываемой тепловой энергии для теплоснабжения внешних потребителей составляет 3,33 кВт⋅ч/ГДж. Для сравнения заметим, что на крупных ТЭЦ данный показатель составляет 50…100 кВт⋅ч/ГДж (Кудинов А.А. Тепловые электрические станции. Схемы и оборудование. - М.: ИНФРА - М, 2017. с. 42).

Увеличение электрической мощности когенерационной энергетической установки может быть достигнуто за счет увеличения размеров лопаток и диаметра диска с одетым на него цилиндрическим кольцом рабочего органа парового двигателя. Этому же будет способствовать и увеличение числа оборотов рабочего органа.

Предлагаемая когенерационная энергетическая установка имеет следующие преимущества по отношению к аналогичным устройствам:

- простота конструкции и дешевизна устройства;

- беззатратная выработка электрической энергии;

- низкое рабочее давление в паровом двигателе установки, близкое или равное атмосферному;

- возможность работы на любом топливе, в том числе и на низкокачественном и на горючих отходах;

- практически полное отсутствие экологически вредных компонентов в выбрасываемых в атмосферу продуктах горения топлива;

- высокая мобильность и транспортабельность установки при малых ее размерах и весе.

Изобретение относится к области энергетики, предназначено для одновременного производства тепловой и электрической энергии и может быть использовано в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов, и в частности для отдаленных объектов жилого и производственного назначения. Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в упрощении устройства и повышении его эффективности, в обеспечении возможности использовать любое топливо, в том числе низкокачественное и горючие отходы. Поставленная проблема решается тем, что когенерационная энергетическая установка содержит камеру сгорания топлива, парогенератор, паровой двигатель, включающий корпус, внутри которого расположен рабочий орган с приводом на вал, который механически соединен с электрогенератором, конденсатор пара, систему нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения с секционированной поверхностью теплопередачи, причем секции поверхности теплопередачи размещены в конденсаторе пара и в газоходе для продуктов сгорания топлива. При этом установка выполнена с рабочим органом парового двигателя в виде диска, ось которого совмещена с осью вала, соединенного с электрогенератором, по наружной кромке диск охватывает цилиндрическое кольцо, на внешней поверхности которого с равным шагом установлены шарниры, оси которых параллельны друг другу и оси вала, соединенного с электрогенератором, на осях шарниров закреплены одной своей кромкой лопатки, снабженные упорами и имеющие возможность поворота, парогенератор размещен в нижней части корпуса парового двигателя под рабочим органом, между рабочим органом и парогенератором установлен направляющий лист для потока пара, конденсатор размещен в верхней части корпуса парового двигателя над рабочим органом, корпус парового двигателя выполнен с образованием подъемного канала для прохода пара и опускного канала для прохода жидкости, при этом подъемный и опускной каналы соединяют между собой пространства парогенератора и конденсатора пара, на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса парового двигателя закреплены своими концами дуговые ограничители, охватывающие с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца. Кроме того, парогенератор выполнен с поверхностью теплопередачи, состоящей из одного или нескольких рядов щелевых каналов для пропуска продуктов горения топлива, причем в каналах установлены ребристые вставки, в сечении прохода продуктов сгорания в камере сгорания топлива размещен неподвижный слой зернистых частиц катализатора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Когенерационная энергетическая установка, содержащая камеру сгорания топлива, парогенератор, паровой двигатель, включающий корпус, внутри которого расположен рабочий орган с приводом на вал, который механически соединен с электрогенератором, конденсатор пара, систему нагрева теплоносителей для внешнего теплоснабжения с секционированной поверхностью теплопередачи, причем секции поверхности теплопередачи размещены в конденсаторе пара и в газоходе для продуктов сгорания топлива, отличающаяся тем, что рабочий орган парового двигателя выполнен в виде диска, ось которого совмещена с осью вала, соединенного с электрогенератором, по наружной кромке диск охватывает цилиндрическое кольцо, на внешней поверхности которого с равным шагом установлены шарниры, оси которых параллельны друг другу и оси вала, соединенного с электрогенератором, на осях шарниров закреплены одной своей кромкой лопатки, снабженные упорами и имеющие возможность поворота, парогенератор размещен в нижней части корпуса парового двигателя под рабочим органом, между рабочим органом и парогенератором установлен направляющий лист для потока пара, конденсатор размещен в верхней части корпуса парового двигателя над рабочим органом, корпус парового двигателя выполнен с образованием подъемного канала для прохода пара и опускного канала для прохода жидкости, при этом подъемный и опускной каналы соединяют между собой пространства парогенератора и конденсатора пара, на двух противоположно расположенных боковых стенках корпуса парового двигателя закреплены своими концами дуговые ограничители, охватывающие с зазором часть длины окружности цилиндрического кольца.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что парогенератор выполнен с поверхностью теплопередачи, состоящей из одного или нескольких рядов щелевых каналов для пропуска продуктов горения топлива, причем в каналах установлены ребристые вставки.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в сечении прохода продуктов сгорания в камере сгорания топлива размещен неподвижный слой зернистых частиц катализатора.