МОБИЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MOBILE POWER INSTALLATION

Изобретение относится к теплоэнергетике.
Наличие в стране большого количества тепловых и электрических сетей сопряжено с появлением аварийных ситуаций, приводящих к нарушению энергоснабжения объектов жизнедеятельности человека. Своевременное восстановление энергоснабжения позволяет избежать негативных технологических и социальных последствий, а также значительных материальных затрат, связанных с их устранением.
Целью изобретения является создание мобильного автономного источника тепловой и электрической энергий, предназначенного для оперативного восстановления энергоснабжения объектов жизнедеятельности человека при возникновении аварийных ситуаций.
Известна автономная система обогрева помещения (RU 2148756, кл. МПК F24D 3/02, 2000), в которой нагрев жидкости осуществляется горячим газом посредством его контакта с водой, циркулирующей в системе обогрева помещения. Указанная система не является мобильной и обеспечивает потребителя только тепловой энергией.
Известна парогазовая установка (SU 1693271, кл. МПК F01К 23/10, 1991) с котлом-утилизатором, в которой турбокомпрессор имеет установленный в выходном канале теплообменник, газовая магистраль которого является частью выходного канала турбокомпрессора, а воздушная магистраль соединяет воздушную полость за компрессором со свободной турбиной, в котел-утилизатор одновременно подводятся газ из выходного канала турбокомпрессора, воздух из выходного канала свободной турбины. Парогазовая установка является стационарной и имеет значительные габариты, которые во многом определяются размерами котла-утилизатора.
Известен водонагреватель (US 4017277 A1, кл. МПК В04D 19/00, 1977), внутрь которого подводится жидкость в виде мелкодисперсных частиц из магистрали потребителя, забор жидкости в которую осуществляется в нижней части котла-утилизатора, а возврат - через коллектор с форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора. Водонагреватель не является автономной энергетической системой.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является мобильная энергетическая установка (RU 2123609 С1, кл. МПК F02С 6/18, 1998), содержащая турбокомпрессор, свободную турбину, на валу которой размещена полезная нагрузка, указанная установка имеет котел-утилизатор - емкость, внутрь которой одновременно подводятся газ из выходного канала свободной турбины и жидкость (вода). Недостатком установки является то, что в котле-утилизаторе использован теплообменник рекуперативного типа, эффективность которого существенно ниже чем у теплообменников смесительного типа, а габариты при тех же потоках энергии больше.
Поставленная цель достигается тем, что мобильная энергетическая установка, содержащая турбокомпрессор с установленным в выходном канале турбокомпрессора газовоздушным теплообменником, газовая магистраль которого является частью выходного канала турбокомпрессора, а воздушная магистраль соединяет воздушную полостью за компрессором с входным ресивером свободной турбины, на валу которой размещена полезная нагрузка, имеет котел-утилизатор - емкость, внутрь которой одновременно подводятся газ, воздух и жидкость в виде мелкодисперсных частиц. Газ подводится из выходного канала турбокомпрессора. Воздух подводится из выходного канала свободной турбины. Жидкость подводится из магистрали потребителя, которая закольцована: вход в магистраль осуществляется через нижнюю часть котла-утилизатора, а выход - через коллектор с жидкостными форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора.
Существенным является то, что передача теплоты от газа к жидкости, осуществляемая в котле-утилизаторе, происходит в момент фазового перехода жидкости из жидкого в газообразное состояние (пар) и обратно, что позволяет повысить теплоемкость теплоносителя (жидкости) на величину, равную теплоте парообразования и, соответственно, уменьшить массу жидкости, участвующую в передаче указанной теплоты, а следовательно, габариты и массу котла, что позволяет достичь заявленную (мобильная установка) цель изобретения. Данный эффект является следствием одновременной подачи в котел-утилизатор газа, воздуха и жидкости в виде мелкодисперсных частиц притом, что:
1. Параллельно магистрали потребителя установлена обводная магистраль с коллектором (коллекторами) с жидкостными форсунками, расположенным в верхней части котла-утилизатора. Обводная магистраль позволяет повысить время пребывания мелкодисперсных частиц во взвешенном состоянии и тем самым улучшить теплообмен между паром и жидкостью.
2. Сопла выходных каналов газовой и воздушной магистралей направлены на поверхность жидкости, что позволяет усилить эффект парообразования и, соответственно, уменьшить объем котла-утилизатора, потребный для образования необходимого для передачи энергии количества пара.
На чертеже изображена мобильная энергетическая установка.
Мобильная энергетическая установка состоит из турбокомпрессора 1 с присоединенными к нему: свободной турбины 2 с электрогенератором 3 (полезная нагрузка); газовоздушным теплообменником 4; котлом-утилизатором 5, который наполнен водой (рабочей жидкостью).
Турбокомпрессор 1 состоит из компрессора, турбины и камеры сгорания, которая расположена между компрессором и турбиной. Компрессор и турбина выполнены на одном диске: с одной стороны - центробежный компрессор, а с другой - центростремительная турбина. Воздушная магистраль газовоздушного теплообменника 4 соединяет воздушную полость за компрессором с входным ресивером свободной турбины 2. Газовая магистраль газовоздушного теплообменника 4 является частью выходного канала турбокомпрессора 1. Выходные каналы турбокомпрессора и свободной турбины соединены между собой и заканчиваются общим соплом, которое расположено внутри котла-утилизатора 5 и направлено на поверхность жидкости. Забор воды, поступающей в магистраль потребителя 6, осуществляется в нижней части котла-утилизатора 5. Возврат воды из магистрали потребителя осуществляется через коллектор 7 с жидкостными форсунками, который размещен в верхней части котла-утилизатора. Параллельно магистрали потребителя 6 установлена обводная магистраль, забор воды для которой осуществляется в нижней части котла-утилизатора 5, а возврат - через коллектор 8 с жидкостными форсунками, расположенный в верхней части котла-утилизатора 5. Для прокачки воды через магистраль потребителя и обводную магистраль используется насос (н).
Работа установки осуществляется следующим образом.
Сжатый в турбокомпрессоре воздух по линии высокого давления поступает в газовоздушный теплообменник. Горячий газ, выходящий из турбины турбокомпрессора, по линии низкого давления поступает в тот же теплообменник.
Нагретый в теплообменнике воздух поступает в свободную турбину и совершает механическую работу, которая затем в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Из свободной турбины воздух, имеющий температуру более 100°С, через сопло поступает в котел-утилизатор 5.
Горячий газ, имеющий температуру более 300°С, из теплообменника также через сопло поступает в котел утилизатор.
При контакте горячего газа (воздуха) с поверхностью жидкости часть жидкости превращается в пар, поглощая при этом значительное количество тепловой энергии и, как следствие, резко (скачкообразно) понижая температуру газа. Образовавшийся пар вступает в контакт с мелкодисперсными частицами жидкости, которые образуются при истечении из форсунок в результате циркуляции воды в магистралях: потребителя и обводной. Указанные частицы имеют среднюю температуру менее 70°С (за счет охлаждения воды в магистрали потребителя). При контакте указанных частиц с паром происходит конденсация пара с одновременным нагревом частиц (жидкости). При этом процесс конденсации нейтрализует процесс парообразования, в результате чего за короткий промежуток времени от газа к жидкости передается значительное количество энергии, что позволяет существенно уменьшить габариты котла-утилизатора.
Мобильная энергетическая установка предназначена (в первую очередь) для Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС). С целью обеспечения оперативности устранения аварийных ситуаций установка имеет габариты и вес, позволяющие разместить ее на подвижной платформе на борту вертолета (самолета) или другого вида транспорта, используемого МЧС. Мобильная энергетическая установка может быть создана на базе вспомогательной силовой установки ТА 14, имеющей вес ~ 60 кг. В этом случае в стандартных атмосферных условиях (t=15°C, Р=760 мм рт.ст.) энергетическая установка будет иметь следующие энергетические и весовые характеристики:
электрическая мощность ~ 90 кВт;
тепловая мощность (горячая вода) ~ 450 кВт;
вес - 400÷600 кг.
Указанные энергетические характеристики позволяют обеспечить автономное энергоснабжение 100-квартирного жилого дома при температурах наружного воздуха до минус 40°С. При этом новым по отношению к известным качеством энергетической установки является ее высокая мобильность - возможность доставки к месту аварии воздушным транспортом. Указанное качество достигается совокупностью признаков, указанных в формуле изобретения, основным из которых является котел-утилизатор смесительного типа, позволяющий кардинально уменьшить габариты и вес установки.
В условиях России, где расстояния измеряются тысячами километров, использование мобильных энергетических установок позволяет предотвратить развитие аварийных ситуаций по негативному сценарию и соответственно сэкономить миллиарды рублей, затрачиваемых на ликвидацию последствий аварий, а в некоторых случаях сберечь жизни людей.