ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГИДРОМОТОРНАЯ УСТАНОВКА

Энергетическая гидромоторная установка предназначена, например, для выработки тепловой и электрической энергии.
Известны газотурбинные установки - ГТУ (смотри, например, //ru.wikipedia.org/).
Газотурбинная установка состоит из силовой турбины и электрического генератора, включает, в том числе, компрессор, кинематически связанный с турбиной, и камеру сгорания. При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за компрессором - на входе в камеру сгорания - повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток, которого повышают давление воздуха в 5-7 раз. Далее, сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно, например, через форсунку в камеру сгорания впрыскивается под большим давлением жидкое или газообразное топливо. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2200°C. Воздух и продукты сгорания расширяются и с огромной скоростью поступают в турбину. Лопатки турбины выполнены под углом к оси ротора. Двигаясь по лопаткам ступеней турбины вдоль оси ротора, продукты сгорания вращают их. При этом, потенциальная энергия газов преобразуется в кинетическую энергию потока. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Часть полученной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная часть используется, например, как привод электрогенератора.
Недостатком газотурбинных двигателей можно назвать их требовательность к чистоте газообразного рабочего тела, соответственно и к топливу. Эту требовательность объясняют высокие скорости газовых турбин, достигающие 68.000 оборотов в минуту. При таких скоростях наличие даже незначительного количества золы в рабочем теле ведет к быстрому износу лопаток газовой турбины. Поэтому в качестве топлива в газотурбинных установках применяется, в основном, природный газ, реже, жидкие нефтепродукты.
Еще одним недостатком газовых турбин является использование в качестве рабочего тела продуктов сгорания. Газообразные продукты сгорания имеют большую температуру. При рабочем давлении в камере сгорания газотурбинной установки она достигает 1500-2200°C. Температура работы обычных жаропрочных сталей ограничена 1100-1200°C. Применение для изготовления газовых турбин более жаростойких сталей, а также их механическая обработка, последующие балансировка, также, эксплуатация и ремонт очень дороги и снижают эффективность применения газообразного топлива и продуктов нефтепереработки в качестве топлива в энергетике и промышленности.
Известна универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка (Иванов В.Л. и др., «Газотурбинный двигатель …», Изв. ВУЗов, Авиационная техника, 2006, №2, стр. 76-79, УДК 658.5), принятая за прототип. Установка содержит, в том числе, теплообменник с воздушными и газовыми трактами. Изобретение направлено на повышение эффективности за счет применения разных видов топлива, в том числе низкокалорийных твердых бытовых и производственных отходов, например отходов деревообработки, и возобновляемых источников энергии, например, торфа.
К недостаткам описанной универсальной воздушно-турбинной энергетической установки можно отнести высокую температуру теплообмена в газовоздушных теплообменниках и, следовательно, необходимость выполнения их из специальных жаропрочных сталей, сложность и громоздкость конструкции. Громоздкость газовоздушных теплообменников обусловлена низкой теплоемкостью газов по сравнению, например, с жидкостями. Цена жаропрочных сталей на один-два порядка выше обычных машиностроительных сталей - от 500.000 рублей за тонну.
Задача, которая решалась при создании данной полезной модели, была связана со снижением температуры рабочего тела энергетической установки при одновременном упрощении и удешевлении конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в энергетической гидромоторной установке, содержащей кинематически связанные гидравлические насос и мотор, а также теплогенерирующую установку, включающую камеру сгорания и теплообменник, нагнетательная линия насоса и вход гидравлического мотора соединены через нагреваемую линию теплообменника.
Сущность решения задачи поясняется следующим.
В камере сгорания гидромоторной установки, работающей, например, на фрезерном топливе, продукты сгорания содержат большое количество золы и других твердых тугоплавких включений. Для исключения их влияния на качество работы установки и снижения температуры рабочего тела, рабочее тело в гидромоторной установке используется в жидком агрегатном состоянии, а тепловая энергия от газообразных продуктов сгорания передается рабочему телу через теплообменник. По нагревательной линии теплообменника проходят продукты сгорания из камеры горения (топки или горелки), а по нагреваемой линии проходит рабочее тело в жидком агрегатном состоянии. При этом, принципиальным является, что рабочее тело представляет собой жидкость. В качестве рабочего тела выбирается жидкость с большим коэффициентом объемного расширения. Например, рабочим телом может служить диатермальное масло, например AIMOS HEAT TRANS 32 (коэффициент расширения при 120°C β=0,0014/°C, что соответствует увеличению объема на 0,07% при нагреве на один градус). Достаточно большой коэффициент объемного температурного расширения имеет жидкий аммиак (при 120°C β=0,0145/°C, что в 16,7 раза больше чем для воды). При нагреве в теплообменнике рабочее тело расширяется и с огромным давлением воздействует на вход гидромотора, приводя в движение выходной вал и кинематически связанный с ним насос. За счет расширения в нагреваемой линии теплообменника расход рабочего тела через гидромотор больше, чем его подача насосом. Соответственно, больше полезная работа гидромотора, чем затраченная работа в насосе. Разница величин этих работ может быть использована как механическая работа на приводе электрогенератора или других рабочих механизмов (компрессоры, подъемники и т.д.).
Удельная объемная теплоемкость жидкостей в тысячи раз больше теплоемкости газов. Это позволяет создавать энергетические установки с рабочим телом в жидком состоянии с гораздо меньшими габаритными размерами, чем равные по мощности, но с газообразным рабочим телом. При этом, достаточной будет температура нагрева рабочего тела до 200-300°C, а это позволяет использовать при конструировании энергетических гидромоторных установок обычные серийно выпускаемые гидравлические моторы и насосы. Упрощение конструкции предлагаемой энергетической установки также связано с уменьшением скорости вращения рабочего органа в сотни раз, например с 60.000 оборотов в минуту газовой турбины до 200-300 оборотов в минуту у гидромотора.
Сущность конкретного исполнения устройства поясняется на фигуре 1.
Установка содержит камеру сгорания (топку) 1, насос 2 и гидромотор 3 установленные на одном валу с генератором электрического тока 8. Окно выхода горючих газов из топки соединяется с греющей линией теплообменника 5, в нагреваемую линию которого насосом 2 подается рабочее тело. Далее, горючие газы, отдавшие тепло рабочему телу, из греющей линии теплообменника 5 поступают в утилизатор тепла 6, например, котел. Рабочее тело в нагреваемой линии теплообменника 5 нагревается от горючих газов до, например до 200°C, и, расширяясь в объеме, например на 20%, приводит во вращение гидравлический мотор 3. Гидравлический мотор 3 приводит в работу насос 2 и генератор электрической энергии 8. Рабочее тело на выходе из гидромотора сливается в бак 4. Совершая работу в гидромоторе 3 рабочее тело охлаждается.
Котел-утилизатор 6 снабжает тепловой энергией потребителя 9. Отработанные дымовые газы из котла 6 удаляются через дымовую трубу 7.
Гидромоторная установка работает следующим образом.
В камеру горения 1 (топку для сжигания, например, фрезерного торфа) подается топливо. Продукты горения из топки 1 поступают в теплообменник 5, нагревая рабочее тело, далее поступают в котел-утилизатор 6. Из котла 6 дымовые газы удаляются через дымовую трубу 7. В нагреваемой линии теплообменника 5 рабочее тело нагревается от продуктов горения, поступающих из топки 1. Далее, расширяясь в объеме, нагретое рабочее тело поступает в гидравлический мотор 3. Гидравлический мотор 3 приводит во вращение насос 2 и, например, генератор электроэнергии 8. Насос 2 засасывает из бака 4 рабочее тело и подает в теплообменник 5.
Использование такой конструкции позволяет упростить конструкцию энергетической установки при работе на твердом виде топлива, содержащего в продуктах сгорания твердые частицы, за счет исключения попадания твердых частиц в рабочее тело энергетической установки, а также снижения температуры рабочего тела.
Данную энергетическую гидромоторную установку целесообразно использовать для автономного снабжения теплом и электроэнергией малых и средних производственных предприятий, учреждений ЖКХ с потреблением тепловой и электрической энергии до, порядка, нескольких мегаватт.