ТЕПЛОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2025 года по МПК F01K13/00 F02C7/08 

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела (среды) в механическую и/или электрическую энергию и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях промышленности.

Известна энергетическая установка RU 100559 U1, 20.12.2010, раскрывающая устройство для утилизации тепловой энергии в механическую и электрическую энергию, содержащее блок источника тепла, замкнутый контур с промежуточным теплоносителем, силовую турбину, теплообменники для нагрева и охлаждения рабочего тела для преобразования энергии жидкой и газовой фаз в механическую и электрическую энергию, где источник тепловой энергии через разделительные шаровые краны соединен с теплообменником реактора, который через жиклер подсоединен к корпусу воздушного компрессора, причем мембрана в корпусе воздушного компрессора соединена с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном и через разделительный клапан присоединена к баллону для сжатого воздуха, который через клапан ресивера соединен с пневматической магистралью воздушной турбины, вал которой соединен с генератором тока, электрический выход генератора подключен к блоку коммутации и управления, который соединен с внешним источником электропитания для начального запуска устройства и снабжен цепью электрического питания внешней нагрузки, а теплообменник холодильника через контур соединен с источником холода.

Недостатком данного решения является то, что работа устройства основана на использовании воздушного компрессора с клапанной коробкой с всасывающим клапаном и нагнетательным клапаном для сжатия воздуха, при этом установка включает множество контуров, что усложняет конструкцию и не обеспечивает высокой эффективности установки.

Известна двухконтурная энергетическая установка, являющаяся ближайшим аналогом к предложенному решению RU 2785178 С1, 05.12.2022, принадлежащая автору, которая содержит размещенные последовательно на одном валу генератор, стартер, турбину и два компрессора основного и вспомогательного контура, а также два замкнутых контура: вспомогательный и основной с рабочим телом в каждом, при этом контуры выполнены с возможностью взаимодействия между собой;

замкнутый основной контур имеет последовательно соединенные в рамках своего контура компрессор основного контура, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-конденсатор вспомогательного контура, воздушный теплообменник, подогреваемый внешним источником тепла, турбину, промежуточный теплообменник, встречный теплообменник-испаритель вспомогательного контура;

замкнутый вспомогательный контур имеет последовательно соединенные компрессор вспомогательного контура, встречный теплообменник-конденсатор, воздушный теплообменник-конденсатор, устройство, понижающее давление, встречный теплообменник-испаритель, воздушный теплообменник-испаритель.

Недостатком данного решения является то, что система сложна, поскольку содержит несколько дополнительных модулей фазового изменения рабочей среды, требует принудительного охлаждения среды, а также имеет два отдельных рабочих контура.

Задачами заявленного решения является разработка простой и эффективной конструкции теплосиловой установки, в которой устранены недостатки известных установок.

Техническим результатом является упрощение конструкции теплосиловой установки, не требующей принудительного охлаждения рабочей среды при ее высокой эффективности и КПД.

Данный результат достигается тем, что теплосиловая установка включает винтовой воздушный компрессор, содержащий корпус и винтовые модули, взаимодействующие между собой, где один из винтовых модулей содержит выходной вал для осуществления снятия полезной нагрузки, причем корпус винтового блока включает вход и выход, где через вход осуществляется забор воздуха, а через выход - его перенаправление по контуру трубопровода посредством нагнетания винтовыми модулями,

выход воздушного компрессора по контуру трубопровода связан с входом ресивера, причем на данном пути контур трубопровода включает обратный клапан, исключающий обратный ход воздуха, а также влагоотделитель, осуществляющий отделение влаги/масла, захватываемых из винтового воздушного компрессора, причем влагоотделитель связан с сепарирующей емкостью, которая, в свою очередь, связана с корпусом винтового воздушного компрессора для обратного перенаправления отделенного масла,

ресивер, содержащий клапан безопасности, причем ресивер выполнен с возможностью накопления в нем воздуха и дозированной подачи,

выход ресивера по контуру трубопровода связан с входом теплообменника котла, где в контуре трубопровода между ресивером и теплообменником размещен кран, регулирующий поступление воздуха в теплообменник котла,

котел, содержащий камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от камеры нагрева к воздуху, проходящему через теплообменник, причем к камере нагрева подведен воздушный канал,

выход теплообменника котла по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, связанное с выходным валом и выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием разогретого воздуха, поступающего по контуру трубопровода от теплообменника котла, где

выходной вал турбоколеса связан с винтовым модулем винтового воздушного компрессора для передачи на него вращения, а

выход турбоколеса связан по контуру трубопровода с воздушным каналом камеры нагрева для поддува разогретого воздуха в камеру нагрева.

Установка включает аварийный контур, содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом и выходом после турбоколеса.

Сепарирующая емкость выполнена с возможностью отделять масло от воды.

Вход забора воздуха в корпусе винтового воздушного компрессора включает клапан, исключающий выход наружу через него воздуха.

Далее, принцип работы установки будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг., где изображена предпочтительная схема предложенной теплосиловой установки.

Теплосиловая установка включает винтовой воздушный компрессор 1. Винтовой воздушный компрессор 1 содержит корпус 2, внутри которого в подшипниках установлены два или более винтовых модуля 3. Один из винтовых модулей 3 содержит выходной вал 4 для осуществления снятия полезной нагрузки от его вращения, например на генератор или иной узел. Корпус 2 винтового воздушного компрессора 1 включает вход и выход, где через вход осуществляется забор воздуха, а через выход - его перенаправление по контуру трубопровода посредством нагнетания винтовыми модулями 3. На входе может быть установлен клапан, исключающий выход наружу через него воздуха, для осуществления только притока воздуха, для дополнительного повышения эффективности установки.

Вход и выход корпуса 2 винтового воздушного компрессора 1, а также других узлов установки представляет собой узел соединения с контуром трубопровода и может быть выполнен различным образом, например в виде отверстия с входным и выходным штуцером, муфтовое соединение, кламповое и иных средств соединения узлов с контуром трубопровода в общий рабочий контур. Воздух в винтовом воздушном компрессоре 1 имеет температуру близкую (как правило, чуть выше) к температуре окружающей среды.

Выход винтового воздушного компрессора 1 по контуру трубопровода связан с входом ресивера 5. На данном пути контур трубопровода включает обратный клапан 6, исключающий обратный ход воздуха для нагнетания его в ресивер 5.

Далее по контуру трубопровода установлен влагоотделитель 7, осуществляющий отделение частиц масла и влаги из воздуха. Конструкция влагоотделителя 7 может быть различной, от самых простых до сложных многоступенчатых узлов отделения нежелательной влаги/масла.

Влагоотделитель 7 связан с сепарирующей емкостью 8, которая, в свою очередь, связана с корпусом 2 винтового воздушного компрессора 1 для обратного перенаправления в него отделенного масла. Сепарирующая емкость 8 принимает масло из влагоотделителя 7 и направляет по контуру в корпус 2 винтового воздушного компрессора 1. Сепарирующая емкость 8 отделяет масло от жидкости (воды) для исключения нежелательного попадания воды в масло в винтовом воздушном компрессоре 1.

Ресивер 5 является герметичной емкостью, которая предназначена для хранения в ней сжатого воздуха. Ресивер 5 имеет клапан безопасности 9 для удержания нагнетенного воздуха, а также стравливания излишнего воздуха и манометр 16 для отслеживания уровня давления. Предпочтительно ресивер 5 оснастить узлом сбора и слива конденсата.

Выход ресивера 5 по контуру трубопровода связан с входом теплообменника 10 котла 11. В контуре трубопровода между ресивером 5 и теплообменником 10 размещен кран 15, обеспечивающий выравнивание и регулировку выходного давления воздуха для дозированного поступления воздуха в теплообменник 10 котла 11. Кран 15 может быть как механическим, так и иметь электронные модули для автоматической корректировки открытия-закрытия.

Котел 11 содержит камеру нагрева 12, а также теплообменник 10, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от камеры нагрева 12 к воздуху, проходящему через теплообменник 10.

На выходе из котла 11 воздух имеет наиболее высокую температуру.

В качестве камеры нагрева 12 могут применяться различные устройства, например, устройства на базе газового или твердотопливного котлов, дизельные, пеллетные камеры сгорания и прочие устройства с камерами сгорания какого-либо топлива. Камера нагрева 12 котла 10 должна обеспечивать повышение температуры воздуха, его нагрев/перегрев до рабочей температуры (как правило, в диапазоне 600-900°С).

Теплообменник 10, как вариант, выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами. Теплообменник 10 может иметь и иную конструкцию, например, как изображено на фигуре, где буферный цилиндр получает тепло от камеры нагрева 12, а вокруг буферного цилиндра витками накручен трубчатый замкнутый контур, по которому циркулирует воздух, который нагревается и далее передается по контуру трубопровода.

К камере нагрева 12 подведен воздушный канал 13 для поддува воздуха в камеру нагрева 12, осуществляемого по контуру трубопровода из выхода турбоколеса 14 для лучшего горения источника тепла, экономии топлива и/или лучшей конвекции прогретого воздуха в котле 11, для дополнительного повышения эффективности и КПД устройства (повторное задействование в установке воздуха с высокой температурой).

Выход теплообменника 10 котла 11 по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса 14. Турбоколесо 14 частично схоже по конструкции с турбиной, однако обеспечивает прием большего объема воздуха и большую производительность/эффективность. Турбоколесо 14 содержит корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями по его внешнему контуру.

Колесо с лопастями выполнено с возможностью его осевого вращения под воздействием давления от разогретого воздуха, поступающего по контуру трубопровода от котла 11. Турбоколесо 14 передает вращение на винтовой модуль 3, который, как уже отмечалось, через выходной вал 4 на узел съема энергии, например, на генератор (на фиг.не показан). Лопасти колеса под воздействием энергии разогретого воздуха раскручивают колесо, обеспечивая повышение эффективности и КПД теплосиловой установки, при одновременном упрощении ее конструкции. Необходимо также отметить, что подробная конструкция турбоколеса 14 является предметом отдельной заявки, и все его конструктивные особенности будут раскрыты в ней.

Выход турбоколеса 14 связан по контуру трубопровода с воздушным каналом 13 камеры нагрева 12 для поддува разогретого воздуха в камеру нагрева 12 либо для усиления процесса горения (в случае использования соответствующего топлива в камере нагрева 12), а также для повторного задействия все еще горячего воздуха и распределения воздуха (конвекция) внутри котла 11, для повышения эффективности и КПД теплосиловой установки при простоте конструкции.

Установка может включать аварийный контур (не показан на фиг.), содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом 14 и выходом после турбоколеса 14, для исключения подачи на турбоколесо 14 избыточного давления воздуха, что дополнительно повышает эффективность и КПД установки.

Принцип работы установки.

Теплосиловая установка запускается в работу путем запуска камеры нагрева 12 котла 11, а также открытия крана 15.

Из ресивера 5 по контуру трубопровода начинает подаваться воздух в теплообменник 10 котла 11.

Камера нагрева 12 обеспечивает нагрев теплообменника 10 и воздух в нем перегревается до максимальной температуры, создавая тем самым рабочее давление для повышения эффективности и КПД теплосиловой установки.

Разогретый воздух по контуру трубопровода поступает в турбоколесо 14, где рабочее давление воздуха воздействует на колесо с лопастями, которые его раскручивают, тем самым передавая энергию вращения через винтовой модуль 3 на выходной вал 4 и узел съема энергии, например, генератор. Воздействие воздуха на турбоколесо 14 и его конструкция обеспечивают повышение эффективности и КПД теплосиловой установки при одновременном упрощении ее конструкции. При этом на данном этапе воздух теряет часть своей температуры и давления.

На выходе из турбоколеса 14 воздух, все еще имеющий высокую температуру, направляется по контуру трубопровода в воздушный канал 13 камеры нагрева 12 для воздействия на источник нагрева (дрова, пеллеты и пр.) и прогрева воздуха в котле 11, тем самым задействуя воздух по второму назначению (повторно), обеспечивая повышение эффективности и КПД теплосиловой установки, не требующей охлаждения рабочей среды.

В свою очередь, винтовые модули 3 помимо передачи вращения на выходной вал 4 и узел снятия нагрузки создают вакуумное разряжение внутри корпуса 2, при этом происходит забор воздуха через вход корпуса 2 и перенаправление (нагнетание) воздуха через выход по контуру трубопровода в ресивер 5, обеспечивая повышение эффективности и КПД теплосиловой установки при простоте конструкции.

На пути в ресивер 5 воздух сепарируется влагоотделителем 7, что минимизирует попадание жидкости/масла в ресивер 5, а также возвращает нежелательно захваченное масло в корпус 2, обеспечивая повышение эффективности и КПД теплосиловой установки.

Цикл повторяется.

Пример 1

- теплосиловая установка включает винтовой воздушный компрессор 1, содержащий корпус 2 и два винтовых модуля 3,

- один из винтовых модулей 3 содержит выходной вал 4 для осуществления снятия полезной нагрузки на генератор,

- выходной вал турбоколеса 14 связан с винтовым модулем 3 винтового воздушнго компрессора 1,

- выход турбоколеса 14 связан по контуру трубопровода с воздушным каналом 13 камеры нагрева 12.

Пример 2

- теплосиловая установка включает винтовой воздушный компрессор 1, содержащий корпус 2 и три винтовых модуля 3,

- один из винтовых модулей 3 содержит выходной вал 4 для осуществления снятия полезной нагрузки на мотор-редуктор,

- корпус 2 винтового воздушного компрессора 1 включает вход и выход, где через вход осуществляется забор воздуха, а через выход - его перенаправление по контуру трубопровода, где вход забора воздуха включает клапан, исключающий выход обратно наружу через него воздуха,

- выход винтового воздушного компрессора 1 по контуру трубопровода связан с входом ресивера 5, причем на данном пути контур трубопровода включает обратный клапан 6,

- влагоотделитель 7 для отделения влаги/масла, поступающих из винтового воздушного компрессора 1,

- влагоотделитель 7 связан с сепарирующей емкостью 8, которая, в свою очередь, связана с корпусом 2 винтового воздушного компрессора 1, где сепарирующая емкость 8 выполнена с возможностью отделять масло от воды,

- ресивер 5 содержит клапан безопасности 9, а также манометр 16,

- выход ресивера 5 по контуру трубопровода связан с входом теплообменника 10 газового котла 11,

- в контуре трубопровода между ресивером 5 и теплообменником 10 размещен кран 15 регулировки поступления воздуха в теплообменник 10 котла 11,

- котел 11 содержит газовую камеру нагрева 12, а также радиаторный теплообменник 10,

- к камере нагрева 12 подведен воздушный канал 13 от выхода турбоколеса 14,

- выход теплообменника 10 котла 11 по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса 14,

- турбоколесо 14 содержит корпус, внутри которого расположено колесо с лопатками-лопастями, связанное с выходным валом,

- выходной вал турбоколеса 14 связан с винтовым модулем 3 винтового воздушного компрессора 1,

- выход турбоколеса 14 связан по контуру трубопровода с воздушным каналом 13 камеры нагрева 12.

- аварийный контур, содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом 14 и выходом после турбоколеса 14.

Предложенное решение обеспечивает упрощение конструкции теплосиловой установки, не требующей принудительного охлаждения рабочей среды при ее высокой эффективности и КПД.

Заявленное решение относится к энергетике, в частности к устройствам, преобразующим энергию рабочего тела (среды) в механическую и/или электрическую энергию и может использоваться в электроэнергетике, теплоэнергетике, в станкостроении, в автомобилестроении и других отраслях промышленности. Техническим результатом является упрощение конструкции теплосиловой установки, не требующей принудительного охлаждения рабочей среды при ее высокой эффективности и КПД. Данный результат достигается тем, что теплосиловая установка включает винтовой воздушный компрессор, содержащий корпус и винтовые модули, взаимодействующие между собой, где один из винтовых модулей содержит выходной вал для осуществления снятия полезной нагрузки, причем корпус винтового блока включает вход и выход, где через вход осуществляется забор воздуха, а через выход - его перенаправление по контуру трубопровода посредством нагнетания винтовыми модулями. Выход воздушного компрессора по контуру трубопровода связан с входом ресивера, причем на данном пути контур трубопровода включает обратный клапан, исключающий обратный ход воздуха, а также влагоотделитель, осуществляющий отделение влаги/масла, захватываемых из винтового воздушного компрессора, причем влагоотделитель связан с сепарирующей емкостью, которая, в свою очередь, связана с корпусом винтового воздушного компрессора для обратного перенаправления отделенного масла. Ресивер содержит клапан безопасности, причем ресивер выполнен с возможностью накопления в нем воздуха и дозированной подачи. Выход ресивера по контуру трубопровода связан с входом теплообменника котла, где в контуре трубопровода между ресивером и теплообменником размещен кран, регулирующий поступление воздуха в теплообменник котла. Котел содержит камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от камеры нагрева к воздуху, проходящему через теплообменник, причем к камере нагрева подведен воздушный канал. Выход теплообменника котла по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, связанное с выходным валом и выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием разогретого воздуха, поступающего по контуру трубопровода от теплообменника котла. Выходной вал турбоколеса связан с винтовым модулем винтового воздушного компрессора для передачи на него вращения. Выход турбоколеса связан по контуру трубопровода с воздушным каналом камеры нагрева для поддува разогретого воздуха в камеру нагрева. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплосиловая установка, характеризующаяся тем, что включает винтовой воздушный компрессор, содержащий корпус и винтовые модули, взаимодействующие между собой, где один из винтовых модулей содержит выходной вал для осуществления снятия полезной нагрузки, причем корпус винтового блока включает вход и выход, где через вход осуществляется забор воздуха, а через выход - его перенаправление по контуру трубопровода посредством нагнетания винтовыми модулями,

выход воздушного компрессора по контуру трубопровода связан с входом ресивера, причем на данном пути контур трубопровода включает обратный клапан, исключающий обратный ход воздуха, а также влагоотделитель, осуществляющий отделение влаги/масла, захватываемых из винтового воздушного компрессора, причем влагоотделитель связан с сепарирующей емкостью, которая, в свою очередь, связана с корпусом винтового воздушного компрессора для обратного перенаправления отделенного масла,

ресивер, содержащий клапан безопасности, причем ресивер выполнен с возможностью накопления в нем воздуха и дозированной подачи,

выход ресивера по контуру трубопровода связан с входом теплообменника котла, где в контуре трубопровода между ресивером и теплообменником размещен кран, регулирующий поступление воздуха в теплообменник котла,

котел, содержащий камеру нагрева, а также теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять передачу тепла от камеры нагрева к воздуху, проходящему через теплообменник, причем к камере нагрева подведен воздушный канал,

выход теплообменника котла по контуру трубопровода связан с входом турбоколеса, содержащего корпус, внутри которого расположено колесо с лопастями, связанное с выходным валом и выполненное с возможностью его осевого вращения под воздействием разогретого воздуха, поступающего по контуру трубопровода от теплообменника котла, где

выходной вал турбоколеса связан с винтовым модулем винтового воздушного компрессора для передачи на него вращения, а

выход турбоколеса связан по контуру трубопровода с воздушным каналом камеры нагрева для поддува разогретого воздуха в камеру нагрева.

2. Теплосиловая установка по п. 1, характеризующаяся тем, что установка включает аварийный контур, содержащий байпасный кран, расположенный на участке трубопровода с входом аварийного контура перед турбоколесом и выходом после турбоколеса.

3. Теплосиловая установка по п. 1, характеризующаяся тем, что сепарирующая емкость выполнена с возможностью отделять масло от воды.

4. Теплосиловая установка по п. 1, характеризующаяся тем, что вход забора воздуха в корпусе винтового воздушного компрессора включает клапан, исключающий выход наружу через него воздуха.