Теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой
HEAT-PIPE STEAM-TURBINE PLANT WITH CONICAL FURNACE

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в механическую с использованием эффекта тепловых труб.
Известен теплотрубный двигатель, содержащий помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, торцевая стенка которой изнутри покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный элемент (щит), конечный участок напорного трубопровода с форсункой, и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой адиабатно-изоэнтропную (рабочую) камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, насаженной на вал, проходящий по оси поперечного сечения корпуса двигателя, цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, питательный насос, ротор которого также насажен на вал, размещенный вместе с начальным участком напорного трубопровода снаружи корпуса двигателя, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля испарительной камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой [Патент РФ № 2287709, МПК F01K 25/00, 2006].
Основными недостатками известного теплотрубного двигателя являются сложность и повышенный шумовой эффект конструкции, обусловленные размещением питательного насоса и начального участка напорного трубопровода снаружи корпуса, невозможность создания вращательного момента рабочему органу на продольной оси корпуса двигателя и низкая скорость конденсации пара рабочей жидкости в конденсационной камере, обусловленная образованием пленки конденсата на внутренней поверхности нижней торцевой стенки, создающей дополнительное термическое сопротивление, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является теплотрубный осевой двигатель, содержащий, помещенные в одном корпусе испарительную камеру, покрытую изнутри фитилем, верхняя торцевая стенка которой покрыта полосами пористого материала, внутри которой располагается перфорированный сепарационный щит, конечный участок напорного трубопровода с форсункой и находящуюся в контакте с горячей средой, отделенную от нее перегородкой рабочую камеру, заполненную фитилем, в которой помещен корпус с размещенной в нем силовой турбиной, рабочее колесо которой и ротор питательного насоса насажены на вал, цилиндрический резервуар, сообщающийся через перфорированные стенки с фитилем, конденсационную камеру, также изнутри покрытую фитилем, являющимся продолжением фитиля рабочей камеры, и находящуюся в контакте с холодной средой, причем внутри испарительной камеры помещен весь напорный трубопровод, внутри рабочей камеры по продольной оси корпуса двигателя сверху вниз на валу поочередно помещены питательный насос, соединенный с напорным трубопроводом, корпус которого находится в цилиндрическом резервуаре, днище которого примыкает к верхней стенке корпуса силовой турбины, а внутри конденсационной камеры по ее продольной оси и центру нижней торцевой стенки проходит вал, снабженный пропеллером и соединенный снаружи с рабочим органом [Патент РФ № 2366821, МПК F01K 25/00, F01K 17/06, 2009].
Недостатками известного осевого теплотрубного двигателя являются громоздкость и сложность конструкции, обусловленные наличием питательного насоса, напорного трубопровода с форсункой и резервуара начального участка, размещенных внутри тепловой трубы и прямая зависимость создаваемой мощности от характеристик наружного горячего источника, которые могут изменяться независимо от потребителя, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой.
Технический результат достигается тем, что теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой содержит помещенные в одном корпусе, расположенные по ходу движения пара, коническую испарительную камеру, стенки которой изнутри покрыты решеткой, выполненной из полос пористого материала, цилиндрическую рабочую камеру, покрытую изнутри слоем вышеупомянутого пористого материала, покрытого, в свою очередь, защитным цилиндром и коническую конденсационную камеру, стенки которой изнутри также покрыты решеткой, выполненной из полос пористого материала, при этом торцы слоя пористого материала рабочей камеры соединены с решетками испарительной и конденсационной камер, на входе в рабочую камеру размещен перфорированный сепарационный щит, выполненный из гидрофильного материала, кромки которого соединены со слоем пористого материала, коаксиально корпусу расположен вал, пропущенный через отверстия в вершинах конусов испарительной и конденсационной камер и через сепарационный щит, в рабочей камере размещены колеса силовых турбин, насаженные на вал, торцы которого на выходе из испарительной камеры соединены с рабочим колесом дутьевого вентилятора, на выходе из конденсационной камеры с рабочим органом, причем наружная поверхность конической испарительной камеры покрыта конической топкой, соединенной у основания конуса тангенциально с камерой сгорания, снабженной горелкой и соединенной тангенциально с дутьевым вентилятором, а у вершины конуса топка соединена тангенциально с выхлопным патрубком.
В основе работы предлагаемого теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой ТТПТУ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973,  с.117] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т.д. [. В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высш. школа, 1988, с.106].
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2–5 - поперечные разрезы теплотрубной паротурбинной установки с конической топкой (ТТПТУ).
Предлагаемая теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой (ТТПТУ) содержит, помещенные в одном корпусе 1, расположенные по ходу движения пара, коническую испарительную камеру 2, стенки которой изнутри покрыты решеткой 3, выполненной из полос пористого материала (фитиля) 4, цилиндрическую рабочую камеру 5, покрытую изнутри слоем пористого материала 4, покрытого, в свою очередь, защитным цилиндром 6 и коническую конденсационную камеру 7, стенки которой изнутри также покрыты решеткой 3, выполненной из полос пористого материала 4, причем торцы слоя пористого материала 4 рабочей камеры 5 соединены с решетками 3 испарительной и конденсационной камер 2 и 7, на входе в рабочую камеру 5 размещен перфорированный сепарационный щит 8, выполненный из гидрофильного материала, кромки которого соединены со слоем пористого материала 4, коаксиально корпусу 1 расположен вал 9, пропущенный через отверстия 10 и 11 в вершинах конусов испарительной и конденсационной камер 2 и 7 и через сепарационный щит 8, в рабочей камере 5 размещены колеса силовых турбин 12, насаженные на вал 9, торцы которого на выходе из испарительной камеры 2 соединены с рабочим колесом дутьевого вентилятора 13, на выходе из конденсационной камеры 7 с рабочим органом (на фиг. 1–5 не показан), соответственно, причем наружная поверхность конической испарительной камеры 2 покрыта конической топкой 14, соединенной у основания конуса тангенциально с камерой сгорания 15, снабженной горелкой 16 и соединенной тангенциально через патрубок 17 с дутьевым вентилятором 13, а у вершины конуса топка 14 соединена тангенциально с выхлопным патрубком 18.
Предлагаемая ТТПТУ работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы из полости корпуса 1 ТТПТУ удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1– 5 не показаны) в количестве, достаточном для заполнения объема пор пористого материала (фитиля) 4, после чего корпус 1 устанавливают таким образом, чтобы коническая конденсационная камера 7 контактировала с холодной средой (например, забортной водой) и осуществляют запуск работы камеры сгорания 15 (при пуске подача воздуха в камеру сгорания 15 происходит за счет его эжектирования) и топки 14, в результате чего коническая испарительная камера начинает контактировать с горячей средой. При этом, коническая форма топки 14 и тангенциальный ввод в нее камеры сгорания 15, наряду с конической формой испарительной камеры 2 обеспечивают равномерный нагрев камеры 2, а покрытие ее внутренней поверхности решеткой 3, соединенной со слоем пористого материала 4– бесперебойную подачу конденсата в зону испарения в канавки между полосами пористого материала 4, которые также предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и, таким образом, интенсифицируют процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сб. научн. тр. М., 1990, с.22]. В результате нагрева испарительной камеры 2 образуется пар, в ее полости создается давление, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный щит 8, выполненный из гидрофильного материала, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые всасываются поверхностью пористого материла 4 и транспортируются им обратно в зону испарения. Очищенный пар поступает в рабочую камеру 5, вращает колеса турбин 12 совместно с валом 9, который сообщает вращательное движение рабочему колесу дутьевого вентилятора 13 и вращающий момент М на рабочем конце вала 9 (например винту судна), в результате чего на выходе из рабочей камеры 5 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижение его температуры и давления [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.331], после чего отработавший пар поступает в коническую конденсационную камеру 19, где он конденсируется за счет контакта наружной поверхности нижней торцевой стенки 4 с холодной средой. При этом, за счет конусной формы конденсационной камеры 7, значительно увеличивается площадь теплообмена, а за счет вращения рабочего органа (например винта судна), закручивающего поток охлаждающей среды (например забортной воды) на наружную поверхность камеры 7 и закрученного потока пара после рабочей камеры 5, поступающего на внутреннюю поверхность нижней торцевой стенки 4, во вращающемся потоке пара возникает центробежная сила, которая срывает образовавшийся конденсат с внутренней поверхности камеры 7, препятствуя образованию там жидкостной пленки, и отбрасывает его на решетку 3, в результате чего происходит значительное увеличение скорости теплопередачи между паром и холодной средой и, соответственно, многократное увеличение скорости конденсации. Образовавшийся конденсат всасывается слоем пористого материала 4, откуда под воздействием капиллярных сил адиабатно [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. Минск, Высш. школа, 1988, с.106] транспортируется в решетку 3 конической испарительной камеры 2, где происходит процесс испарения рабочей жидкости и вышеописанный цикл повторяется.
Для снижения шумового эффекта работы дутьевого вентилятора 13 его можно закрыть звукоизолирующим корпусом (на фиг 1–5 не показан).
Таким образом, предлагаемая теплотрубная паротурбинная установка с конической топкой обеспечивает надежное и эффективное увеличение мощности установки за счет использования конструкции конической топки с тангенциальным вводом камеры сгорания, обеспечивающей вращательное движение топочных газов, конических камер испарения и конденсации и использования окружающей среды для охлаждения камеры конденсации в форме вращательного движения. Дополнительным положительным эффектом ТТПТУ является снижение шума работы турбин, обусловленное изоляцией рабочей камеры слоем пористого материала.