ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
POWER SYSTEM

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в различных отраслях техники, где требуется автономное обеспечение потребителей различными видами энергии (электрической, тепловой, механической и т.д.). Для достижения таких требований оптимальными компонентами топлива системы являются водород и кислород.
Водород является универсальным энергоносителем с наибольшей теплотворной способностью среди известных горючих веществ. Он обеспечивает наилучшие экологические показатели, поскольку при его стехиометрическом (оптимальном) сжигании в кислороде образуется только вода. Водород можно хранить и использовать в жидком или газообразном состоянии.
Известен вертикальный паровой котел с непосредственным воздействием продуктов горения на воду, подводимую в камеру сгорания (Авторское свидетельство СССР 31448, 13g, 6, 25.12.1931, фиг.2). Котел образован из двух толстостенных частей А и В, которые соединены болтами. В котел через клапан L подводится вода. Форсунка R помещена вверху или внизу котла, так же как и трубопровод И для отвода пара. Через патрубки S и Т к форсунке R подводятся кислород и водород, образующие смесь, воспламеняемую посредством электрического воспламенителя Е. При непосредственном воздействии продуктов горения на воду, последняя превращается в водяной пар, отводимый через трубопровод Н потребителю. Котел обеспечивает потребителей дешевым, чистым паром и при работе не загрязняет окружающую среду, в частности оксидами азота. Однако недостатком технического решения является неоптимальное соотношение водорода в кислороде с обеспечением стехиометрического сжигания. В результате продукты сгорания могут быть перенасыщены либо кислородом, либо водородом, что приводит к повышенным энергозатратам при получении пара, а также снижает его потребительские качества по сравнению с чистым паром.
Известна энергетическая система для нагрева воды водородом и кислородом в газообразном виде (патент CN 201373545 (Y), F24H 1/10. 2009-12-30). Система содержит основной источник энергии, генератор для получения водорода и кислорода, камеру сгорания водорода в кислороде и управляющую электросхему. Электросхема объединяет основной источник энергии, генератор и камеру сгорания. При подаче в генератор воды и воздействии на нее электрическим разрядом от источника энергии образуются газообразные водород и кислород, которые поступают в камеру сгорания и при сгорании выделяют тепло для нагрева воды. Камера сгорания обеспечивает высокую температуру пламени при горении водорода и высокую полноту сгорания, наилучшие экологические показатели при защите окружающей среды и дешевизну устройства. Однако предложенная система имеет низкую эффективность по сравнению с непосредственным нагревом воды за счет электрического источника, когда исключается промежуточная фаза по электролизу воды с получением кислорода и водорода.
Известна энергетическая система для получения горячей воды и водяного пара (патент на полезную модель RU 108569, F24H 1/00, 01.04.2011). Система содержит корпус и три топочные камеры. В первой топочной камере установлены два сообщающиеся друг с другом водонагревателя, выполненные в виде баков и предназначенные для генерирования горячей воды, горелочное устройство и предохранительный клапан. В другой топочной камере установлен водонагреватель, выполненный в виде змеевика, горелочное устройство и предохранительный клапан. В третьей топочной камере установлен водонагреватель, выполненный в виде бака, и горелочное устройство. При этом выход водонагревателя посредством трубопровода соединен с входом змеевика, предназначенного для генерирования водяного пара.
Горелочное устройство представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном паре. При этом на входе сопла установлена форсунка для подачи воды или водяного пара, а также установлены электроды (катод, анод), предназначенные для их подключения к источнику тока высокого напряжения.
Холодную воду непрерывно подают в водонагреватели и включают горелочные устройства, в которые подают воду или водяной пар. Электроды подключают к источнику высокого напряжения. В результате прохождения тока в соплах происходит разложение воды на водород и кислород и последующее сгорание водорода с образованием в соплах плазмы. Образующаяся в соплах плазма поступает в соответствующую топочную камеру, где осуществляется нагрев этой плазмой водонагревателей, а также змеевика. В результате этого на выходе баков образуется горячая вода, а на выходе змеевика пар. Система не нарушает экологию окружающей среды и имеет высокие энергетические показатели. Однако система имеет высокое энергопотребление, связанное с электролизом воды, по сравнению с вариантом непосредственного электронагрева воды.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является энергетическая система (патент RU 2018048, F22B 1/26, 28.12.1991), принятая за прототип.
В соответствие с техническим решением по прототипу система содержит основную пароводяную емкость и погруженную в воду основную двухканальную форсунку. Форсунка сообщена одним каналом через патрубок с источником кислорода и другим каналом через патрубок с источником водорода, система снабжена одной дополнительной пароводяной емкостью и дополнительной двухканальной погружной форсункой с патрубками подвода кислорода и водорода. При этом патрубки снабжены запорными органами и жиклерами. Источники кислорода и водорода выполнены в виде резервуаров, объемы которых, включая патрубки подвода, относятся соответственно как 1:2. Емкости объединены общей системой наддува инертным газом. Площади проходных сечений жиклеров патрубков подвода кислорода и водорода относятся соответственно как 2:1.
Работа системы осуществляется следующим образом. После заполнения водой основной и дополнительной емкостей происходит запуск. При одновременном открытии запорных органов, установленных в патрубках подвода, под давлением инертного газа начинается поступление кислорода и водорода в форсунку. На выходе форсунки осуществляется зажигание и горение стехиометрической смеси. Стехиометрическое соотношение смеси обеспечивается соотношением проходных сечений жиклеров, как 2:1, а также объемов резервуаров кислорода и водорода, как 1:2. Горение смеси приводит к образованию дополнительного объема воды в основной емкости, а также повышению температуры и давления рабочей среды в нем. По достижении требуемых параметров нагреваемой воды по температуре и давлению в основной емкости открывают запорный кран в трубопроводе отвода пара и осуществляют полезное использование генерируемого пара. Непрерывное горение водородно-кислородной смеси стехиометрического состава приводит к непрерывному повышению температуры воды в основной емкости при условии, что дополнительно образующиеся порции воды в результате процесса горения в равном количестве выходят из емкости. При достижении в основной емкости заданного предела температуры выполняют автоматическое открытие запорных органов дополнительной емкости и зажигание в ней кислородно-водородной смеси с одновременным закрытием запорных органов основной емкости.
Система обеспечивает высокие экологические показатели за счет обеспечения и поддержания оптимального режима горения водорода в кислороде. Однако в рассматриваемом техническом решении не достигается полного стехиометрического соотношения кислорода и водорода из-за того, что давление перед соответствующими жиклерами, установленными в подводах кислорода и водорода, может различаться из-за неодинаковых значений потерь давления в указанных подводах при их разной протяженности. А это приводит к ухудшению экологических показателей энергетической системы и повышенным энергозатратам при сжигании водорода в кислороде.
В основу изобретения энергетической системы положено решение следующих задач:
- достижение высоких экологических показателей энергетической системы для получения горячей воды и снижение энергопотребления при ее производстве;
- автономное и мобильное использование энергетической системы;
- расширение диапазона автономного обеспечения потребителей различными видами энергии (тепловой, электрической, механической и т.д.).
Поставленные задачи решаются тем, что энергетическая система содержит источники кислорода и водорода, парогенератор, пароводяной эжектор с активным и пассивным контурами, источник воды и потребитель горячей воды. Парогенератор снабжен трубопроводами подвода кислорода, водорода, балластировочной воды, отвода пароводяной смеси и включает объединенный узел устройства зажигания и форсунок. Трубопроводы подвода кислорода и водорода к парогенератору оснащены каждый краном и жиклером и подключены на входе к источникам кислорода или водорода. Притом к активному контуру эжектора на входе подключен трубопровод отвода пароводяной смеси от парогенератора, пассивный контур эжектора на входе соединен трубопроводом с источником воды, а выход эжектора подключен к потребителю горячей воды. При этом объемы источников кислорода и водорода совместно с объемами сопрягаемых с ними трубопроводов подвода относятся как 1:2. Площади проходных сечений жиклеров трубопроводов подвода кислорода и водорода каждой форсунки относятся соответственно как 2:1.
В соответствие с изобретением энергетическая система дополнительно содержит регуляторы давления и гидротурбину, соединенную валом с потребителем мощности. Выход эжектора подключен к потребителю горячей воды через гидротурбину. Краны сделаны запорными. Регуляторы давления установлены в трубопроводах подвода кислорода и водорода между кранами и жиклерами.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- наличие регуляторов давления обеспечивает поддержание постоянного давления перед жиклерами с достижением стехиометрического соотношения кислорода и водорода при их сжигании;
- наличие гидротурбины, соединенной валом с потребителем мощности, позволяет использовать механическую энергию вращения для различных потребителей (электрогенератора, водяного насоса и т.д.) и превращать механическую энергию вращения в другие виды энергий;
- выполнение кранов запорными обеспечивает синхронизацию их работы при необходимости одновременного закрытия одних кранов и открытия других кранов;
- установка регуляторов давления в трубопроводах подвода кислорода и водорода между кранами и жиклерами обеспечивает их наибольшее приближение к жиклерам, перед которыми необходимо поддерживать постоянное давление.
Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и дополнение:
- парогенератор может быть выполнен в виде пароводяной емкости с предохранительным клапаном. Это обеспечивает соответствие давления и температуры аналогичным параметрам на левой пограничной кривой состояния вещества за счет « сброса» избыточного давления при повышении температуры воды и при образовании дополнительной воды при сжигании топливной смеси. Это способствует гарантированному получению влажного пара заданных параметров при входе в активный контур эжектора, обеспечивая оптимальную его работу;
- трубопровод подвода балластировочной воды может быть снабжен краном и подключен к источнику воды. Это дает возможность осуществлять подвод воды при достижении в пароводяной емкости заданных параметров по температуре и давлению без дополнительных потерь пара при его дренаже;
- трубопровод отвода пароводяной смеси от парогенератора и подключения к активному контуру эжектора снабжен краном и регулятором давления. Это позволяет включить в работу эжектор при достижении заданных параметров воды по температуре и давлению в емкости, а также поддерживать практически постоянным давление пароводяной смеси на входе в активную часть эжектора, что обеспечивает оптимальность его работы;
- форсунка должна быть сделана двухканальной, притом объединенный узел устройства зажигания и форсунки может быть расположен в емкости под уровнем воды. Это дает возможность осуществлять гомогенизацию топливной смеси в габаритах форсунки, повышая эффективность сгорания этой смеси при ее воспламенении, и осуществлять эффективное смешение продуктов сгорания с водой;
- в качестве источников компонентов топлива могут быть использованы газообразные кислород и водород, хранящиеся в сосудах высокого давления. Это позволяет использовать стандартное оборудование, что снижает стоимость всей системы;
- в качестве источников компонентов топлива могут быть использованы жидкие кислород и/или водород, хранящиеся в резервуарах под давлением. Это улучшает возможность мобильного использования энергосистемы за счет уменьшения ее габаритных размеров, причем возможно сочетание источников жидкого водорода и газообразного кислорода или жидкого кислорода и газообразного водорода, что расширяет компоновочные возможности энергосистемы, а также способствует уменьшению потерь компонентов топлива при их хранении в газообразном состоянии;
- система дополнительно может содержать газификаторы жидких кислорода и/или водорода. Это обеспечивает устойчивую работу энергосистемы без дополнительных потерь компонентов топлива;
- газификатор может быть сделан в виде теплообменника с нагреваемым и нагревающим контурами, где нагреваемый контур соответственно выполнен в виде части трубопровода с краном на входе подвода кислорода и/или водорода к форсунке. Это улучшает компоновочные свойства энергосистемы, повышая возможность ее мобильного исполнения;
- объединенный узел устройства зажигания и форсунки может быть расположен в верхней или нижней части пароводяной емкости в зависимости от требований по улучшению компоновочных свойств энергосистемы. Это способствует повышению эффективности работы энергосистемы, а также улучшает ее эксплуатацию и обслуживание;
- система дополнительно может, содержит автомобильный прицеп и быть размещена в последнем. Это обеспечивает автономность и мобильность использования энергетической системы.
Таким образом, решены поставленные в изобретении для энергетических систем задачи. Предложенная энергетическая система позволяет:
- достичь высоких экологических показателей для получения горячей воды и снижение энергопотребления при ее производстве;
- иметь автономное и мобильное использование;
- расширить диапазон автономного обеспечения потребителей различными видами энергии (тепловой, электрической, механической и т.д.).
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием энергетической системы и ее работы со ссылкой на иллюстрациях, представленных на фиг.1, 2, где;
на фиг.1 изображена схема энергетической системы;
на фиг.2 - развитие и дополнение энергетической системы.
Энергетическая система (см. фиг.1) содержит источники 1, 2 соответственно кислорода и водорода, парогенератор 3, пароводяной эжектор 4 с активным и пассивным контурами 5 и 6, источник 7 воды и потребитель 8 горячей воды. Парогенератор 3 снабжен трубопроводами соответственно подвода 9 кислорода, подвода 10 водорода, подвода 11 балластировочной воды, отвода 12 пароводяной смеси и включает объединенный узел 13 устройства зажигания и форсунок. Трубопроводы 9, 10 подвода кислорода и водорода к парогенератору 3 оснащены соответственно каждый краном 14, 15 и жиклером 16, 17 и подключены на входе к источникам 1, 2 кислорода или водорода. К активному контуру 5 эжектора 4 на входе подключен трубопровод 12 отвода пароводяной смеси от парогенератора 3. Пассивный контур 6 эжектора 4 на входе соединен трубопроводом 18 с источником 7 воды. Выход эжектора 4 подключен к потребителю 8 горячей воды. Объемы источников 1, 2 кислорода и водорода совместно с объемами сопрягаемых с ними трубопроводов 9, 10 подвода относятся как 1:2. Площади проходных сечений жиклеров 16, 17 трубопроводов 9, 10 подвода кислорода и водорода каждой форсунки относятся соответственно как 2:1. Система дополнительно содержит регуляторы 19, 20 давления и гидротурбину 21, соединенную валом с потребителем 22 мощности. Выход эжектора 4 подключен к потребителю 8 горячей воды через гидротурбину 21. Краны 14, 15 сделаны запорными. Регуляторы 19, 20 давления установлены в трубопроводах 9, 10 соответственно подвода кислорода и водорода между кранами 14, 15 и жиклерами 16, 17.
Парогенератор 3 выполнен в виде пароводяной емкости 23 с предохранительным клапаном 24. Трубопровод 11 подвода балластировочной воды снабжен краном 25 и подключен к источнику 7 воды. Трубопровод 12 отвода пароводяной смеси от парогенератора 3 и подключения к активному контуру 5 эжектора 4 снабжен краном 26 и регулятором давления 27. Форсунка 28 сделана двухканальной. Объединенный узел 13 устройства зажигания 29 и форсунки 28 расположен в емкости 23 под уровнем воды.
Система может работать на газообразных компонентах, на жидких компонентах или на одном газообразном компоненте и на одном жидком компоненте.
В качестве источников компонентов топлива (см. фиг.1) могут быть использованы газообразные кислород и водород, хранящиеся в сосудах 1, 2 высокого давления.
В качестве источников компонентов топлива (см. фиг.2) могут быть использованы жидкие кислород и/или водород, хранящиеся соответственно в резервуарах 30, 31 под давлением. Такая система дополнительно содержит газификаторы 32, 33 жидких кислорода и/или водорода. Газификаторы 32, 33 сделаны каждый в виде теплообменника с нагреваемым и нагревающим контурами, где нагреваемые контура соответственно выполнены в виде части трубопроводов 9, 10 с кранами 34, 35 на входе подвода кислорода и/или водорода к двухканальной форсунке 28.
Объединенный узел устройства зажигания 29 и форсунки 28 расположен в верхней или нижней части пароводяной емкости 23.
Система дополнительно может содержать автомобильный прицеп и быть размещена в последнем (не показано).
Работа энергетической системы на газообразных кислороде и водороде осуществляется следующим образом (см. фиг.1, 2). Перед началом работы системы пароводяная емкость 23 от источника воды 7 через трубопровод 11 с открытым краном 25 заполняется водой до заданного уровня (порядка 97% по объему емкости). При заполнении емкости 23 кран 25 закрывается. При одновременном открытии кранов 14, 15 соответственно трубопроводов 9, 10 кислорода и водорода из источников 1 и 2 через регуляторы давления 19, 20 и жиклеры 16, 17 компоненты топлива подаются под давлением в форсунку 28 парогенератора 3, где происходит смешение кислорода и водорода и воспламенение смеси устройством зажигания 29. При сжигании смеси кислорода и водорода начинается нагрев воды с повышением ее температуры и давления и приближением по времени к левой ветви пограничной кривой (далее - «кривая») диаграммы состояния вещества (воды в разных фазах: жидкость, влажный пар, перегретый пар).
Установление заданной температуры воды и ее давления в соответствии с этими параметрами на «кривой» достигается «сбросом» излишнего давления, которое устанавливается при его ограничении с избыточным запасом в 1-3% по отношению к давлению на «кривой» автоматическим открытием предохранительного клапана 24.
По мере нагрева воды в емкости 23 с достижением требуемой температуры при ограничении установленного уровня давления открываются одновременно кран 25 в трубопроводе 11 подвода балластировочной воды и кран 26 в трубопроводе 12 отвода пароводяной смеси из емкости 23. При этом устанавливается стабильный режим работы энергетической системы, когда поддержание заданных параметров по температуре и давлению воды (практически в выбранной точке на «кривой») связано преимущественно с нагревом балластировочной воды и отводом пароводяной смесит из емкости 23. Пароводяная смесь по трубопроводу 12 отвода пароводяной смеси через открытый кран 26 и регулятор давления 27 поступает в активный контур 5 эжектора 4, создавая разрежение среды в его пассивном контуре 6. Это приводит через трубопровод 18 к подсосу воды из источника 7, ее смешению с пароводяной смесью с понижением температуры суммарной массы воды ниже нормальной температуры ее кипения и с увеличением скорости истечения суммарной массы воды из эжектора 4. Вода из эжектора 4 поступает на гидротурбину 21 и начинает ее вращать за счет скоростного напора воды. Это приводит к выработке мощности на гидротурбине 21 с передачей ее через вал потребителю 22 мощности. После гидротурбины 21 нагретая вода поступает к потребителю 8 горячей воды.
Работа энергетической системы на жидких кислороде и водороде осуществляется следующим образом (см. фиг.2). Перед началом работы системы пароводяная емкость 23 заполняется водой до заданного уровня аналогично работе на газообразных компонентах топлива. При закрытых кранах 14 и 15 открываются краны 34 и 35, и начинается процесс захолаживания «холодных» контуров газификаторов 32 и 33 жидкими кислородом и водородом со сливом через краны в технологические емкости (не показано). Это необходимо для обеспечения стабильной работы газификаторов 32 и 33. При обеспечении стабильных жидкостных фаз в «холодных» контурах перекрываются через краны слив компонентов топлива в технологические емкости с одновременным открытием кранов 14 и 15 и подключением «горячих» контуров газификаторов 32 и 33. Газифицированные из жидкой фазы кислород и водород соответственно по трубопроводам 9 и 10 через краны 14 и 15, регуляторы давления 19 и 20, жиклеры 16 и 17 подают в форсунку 28 и воспламеняют устройством зажигания 29. Далее работа системы осуществляется аналогично работе с газообразными кислородом и водородом. Время работы энергетической системы определяется запасами источников кислорода и водорода.
В качестве примера приведем расчет конкретной энергетической системы.
Исходные данные для расчета:
объем емкости воды, м<sup>3</sup>
1,0
расход водорода, кг/с
3,5×10<sup>-3</sup>
расход кислорода, кг/с
28×10<sup>-3</sup>
расход балластировочной воды, кг/с
1,0
расход пароводяной смеси, кг/с
1,0
максимальное давление воды в емкости, МПа
0,22
максимальная температура воды в емкости, К
395
температура воды в источнике, К
283-295
Результаты расчетов показывают, что в зависимости от теплопотерь в окружающую среду и начальной температуры воды могут быть достигнуты (при заданных исходных данных) следующие результаты; нагрев 1,5 кг воды в секунду до средней температуры 345-350 К с получением при этом мощности гидротурбины, равной 0,1-0,12 кВт. Получаемая мощность может быть направлена на различные нужды, в том числе для получения электроэнергии, которую можно полезно использовать для питания различных электронных систем управления.
Предлагаемая энергетическая система может найти применение при обеспечении преимущественно теплом, электричеством и иными видами энергии новых производств в отдаленных малонаселенных местах, а также населения в обжитых местах в форс-мажорных обстоятельствах.