ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки тепловой и электрической энергии
Известна силовая установка по патент РФ на изобретению №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2349778, МПК F02C7/14, опубл. 20.03.09 г.Силовая установка с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды. Установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят параллельно соединенные топливопаровой и топливовоздушный теплообменники. Выход из регенеративного теплообменника через топливопаровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для воды.
Недостаток не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2349777, МПК F02C 7/14, опубл. 20.03.09 г. Установка содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды. Установка содержит систему охлаждения турбины, в которую входят последовательно соединенные топливопаровой и топливовоздушный теплообменники. Выход из регенеративного теплообменника через топливопаровой теплообменник и паровую турбину, установленную на валу свободной турбины, соединен с емкостью для воды.
Недостаток не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2320497, МПК B60R 6/00, опубл. 10.02.08 г. Силовая установка с регенерацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник Выход из регенеративного теплообменника соединен через паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения
соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод подвода воздуха из-за компрессора, дефлектор на диске турбины. Недостаток не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2316440, МПК В61С 5/00, опубл. 10.02.08 г. Силовая установка с охлаждаемой турбиной и утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник. Вход регенеративного теплообменника соединен через водяной насос с емкостью для воды, а выход соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.
Недостатки не предусмотрена очистка выхлопных газов и система охлаждения турбины достаточно сложная.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2312231, МПК F01K 21/04, опубл. 10.12.07 г. Силовая установка с утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой в выхлопном устройстве установлен регенеративный теплообменник, выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды, а в выхлопном устройстве перед регенеративным теплообменником установлена дополнительная камера сгорания. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины.
Недостатки не предусмотрена очистка выхлопных газов и низкий КПД установки из-за сжигания дополнительного топлива при низком давлении.
Известна энергетическая установка по патенту РФ на изобретение №2312230, МПК F01K 15/02, опубл. 10.12. 07 г. Силовая установка с охлаждаемой турбиной и утилизацией тепла содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, соединенной газовым трактом со свободной турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, вход которого соединен через водяной насос с емкостью
для воды, отличается тем, что выход из регенеративного теплообменника соединен через теплообменник охлаждения воздуха, паровую турбину и теплообменник-конденсатор с емкостью для воды. Теплообменник-конденсатор установлен в топливной магистрали после насоса горючего. Турбина содержит воздушную систему охлаждения соплового аппарата и рабочего колеса турбины, в которую входит трубопровод отбора воздуха из-за компрессора, теплообменник охлаждения воздуха, коллектор, сопловой аппарат с полостями внутри него и дефлектор на диске турбины. Недостаток не предусмотрена очистка выхлопных газов.
Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Известна силовая установка по патенту РФ №2272916, МПК F02R 21/04, опубл. 27.03.2006, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно- с системой охлаждения турбины.
Недостатками этой установки
1. Сложность и высокая стоимость из-за наличия газотурбинного двигателя.
2. Низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям.
3. Не предусмотрены меры по уменьшению содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Известна энергетическая установка (газоперекачивающий агрегат) по патенту РФ на полезную модель №115843, МПК F01D 25/00, опубл. 10.05.2012 г., прототип
Этот газоперекачивающий агрегат, содержит турбоблок, в теплозвукоизолирующем контейнере которого расположены газотурбинный двигатель и центробежный компрессор для сжатия газа, включающий ротор, установленный в подшипниках и снабженный
уплотнениями; воздухоочистительное устройство; выхлопную систему с выхлопной шахтой для удаления продуктов сгорания и шумоглушители, отличающийся тем, что центробежный компрессор выполнен многоступенчатым с возможностью обеспечения абсолютного давления газа на его выходе в диапазоне 1,5-25,0 МПа, газотурбинный двигатель, который вместе с всасывающим и выхлопным устройствами расположены на общей фундаментной раме, газотурбинный двигатель заключен в теплозвукоизолирующий кожух с элементами систем вентиляции, освещения, пожаротушения и газоанализа газоперекачивающего агрегата.
Недостатки высокая эмиссии вредных веществ из-за отсутствия нейтрализатора газа и низкий КПД из-за аэродинамических потерь в системе глушения и большой (более 500°C) температуры выхлопных газов.
Задачи создания изобретения: обеспечение качественной очистки выхлопных газов.
Достигнутый технический результат уменьшение выхлопа вредных веществ за счет совмещения шумоглушителя и нейтрализатора выхлопных газов и применения теплообменника-утилизатора, снижение шума и повышение КПД.
Решение указанных задач достигнуто в выхлопном устройстве энергетической установки, содержащей корпус, преобразующий горизонтальное движение пока выхлопных газов в вертикальное, вертикальную шахту и шумоглушитель, установленный а ней, тем, что согласно полезной модели, шумоглушитель одновременно выполняет функцию нейтрализатора выхлопных газов. Шумоглушитель может быть выполнен в виде установленных радиально кассет, содержащих пустотелый корпус форме параллелепипеда стенки которого перфорированы отверстиями, полость кассет частично заполнена катализатором. В качестве катализатора может быть использован минерал шунгит. Кассеты могут быть выполнены быстросъемными. Внутри шахты может быть установлен теплообменник-утилизатор. Теплообменник-утилизатор может быть выполнен в виде секций, выполненных из труб, установленных внутри корпуса перфорированного отверстиями. Секции могут быть выполнены быстросъемными. Секции теплообменника-утилизатора могут быть соединены параллельно. Секции теплообменника-утилизатора могут быть соединены последовательно.
Выходной патрубок теплообменника-утилизатора может быть соединен с входом в паровую турбину. К шумоглушителю может быть присоединен трубопровод подачи воды. Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг. 1…22, где:
- на фиг. 1 приведена схема установки выхлопного устройства,
- на фиг. 2 приведен вид A,
- на фиг. 3 приведен внешний вид кассеты,
- на фиг. 4 приведен разрез B-B,
- на фиг. 5 приведен разрез C-C, первый вариант
- на фиг. 6 приведен разрез C-C, второй вариант,
- на фиг. 7 приведен разрез C-C, третий вариант,
- на фиг. 8 приведен разрез C-C, четвертый вариант,
- на фиг. 9 приведено устройство с теплообменником-утилизатором,
- на фиг. 10 приведен вид D,
- на фиг. 11 внешний вид секции теплообменника-утилизатора,
- на фиг. 12 приведен вид E,
- на фиг. 13 приведен разрез A-A,
- на фиг. 14 приведен разрез G-G, первый вариант,
- на фиг. 15 приведен разрез G-G, второй вариант,
- на фиг. 16 приведен разрез G-G, третий вариант,
- на фиг. 17 приведен график изменения коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании тубы,
- на фиг. 18 приведен четвертый вариант секции теплообменника-утилизатора,
- на фиг. 19 приведена схема устройства с паровой турбиной,
- на фиг. 20 приведена система подачи воды к шумоглушителю,
- на фиг. 21 приведена схема устройства с отбором выхлопных газов,
- на фиг. 22 приведена выхлопная шахта с устройством закрутки потока,
- на фиг. 23 приведена схема установки кассет.
Выхлопное устройство энергетической установки (фиг. 1…23) содержит свободную турбину 1, к выходу из которой присоединено выхлопное устройство 2 с выхлопной шахтой 3. При этом свободная турбина 1 имеет корпус 4, входной обтекатель 5, сопловой аппарат 6, рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8, установленное на валу 9, который установлен на опорах 10, выходной аппарат 11. К валу 9 через муфту 12 присоединен вал 13 потребителя энергии 14 (генератора электроэнергии или компрессора)
В выхлопной шахте 3 установлен глушитель шума 15, который выполняет функции нейтрализатора выхлопных газов. Глушитель шума выполнен в виде кассет 16 (фиг. 3) для удобства сборки и ремонта. Кассеты 16 установлены в выхлопной шахте 3 вдоль оси выхлопной шахты 3 и радиально (фиг. 2).
Ниже кассет 16 снаружи выхлопной шахты 3 выполнена площадка обслуживания 17, предназначенная для обслуживающего персонала.
Кассеты 16 могут быть выполнены в виде корпуса 18, например, в форме прямоугольных параллелепипедов с полостью 19 внутри. Полость 19 частично заполнена катализатором 20 - минералом шунгит. Частичное заполнение объема полости 19 кассет 16 ка-
тализатором 20 позволяет сохранить их шумоглушащие свойства. Корпус 18 кассет 16 перфорирован отверстиями 21, которые служат для сообщения полости 19 с полостью 22 внутри выхлопной шахты 3 (фиг. 1) и одновременно предназначены для прохождения выхлопных газов внутрь них для очистки и непосредственно принимают участие в снижении уровня шума. Полость 19 частично заполнена минералом шунгит в виде кусков, служащим катализатором очистки. Диаметр отверстий 21 выполнен меньше размера кусков минерала шунгит для исключения его высыпания.
Шунгит
Шунгит образовался из органических донных отложений - сапропеля. Эти органические осадки, прикрываемые сверху все новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шел медленный процесс метаморфизации. В результате этого процесса образовался распыленный в минеральной матрице аморфный углерод в виде характерных именно для шунгита глобул. Первые эпизодические описания горных пород «черной Олонецкой земли» были предприняты Н.Я. Озерецковым в 1792 году и Н.К. Комаровым в 1848 году. В 1877 году А.А. Иностранцев определил породу как новый крайний член в ряду природных некристаллических углеродов, не являющихся каменным углем и дал название - шунгит по названию Заонежского села Шуньга, где порода впервые была обнаружена и действовала штольня.
В 1928-1937 годах на базе созданного государственного треста «Шунгит» осуществлялось изучение шунгитовых пород как предполагаемых аналогов горючих углей, были проведены первые структурные исследования.
Чистый шунгит встречается в природе довольно редко, в основном в виде тонких, до 30 см шириной, прожилков. Чаще он присутствует в качестве примеси в шунгитовых сланцах и доломитах, распространенных по всему Заонежью - от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке.
Основные запасы шунгитов находятся на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера. Прогнозные ресурсы по всем месторождениям составляют около 1 млрд.тонн.
К настоящему времени разведано месторождение в Казахстане с подтвержденным запасом 49 млн. тонн.
Физические свойства
3
-6
-1
Плотность - 2,25-2,84 г/см; пористость - 0,5-5%; прочность на сжатие 100-276 МПа; модуль упругости (E) - 0,31∗105 МПа. Электропроводен, электропроводность - (1-3)×103 См/м; теплопроводность - 3,8 вт/м·К. Среднее значение коэффициента теплового расширения в интервале температур от +20 до +600°C - 12×10 К. Теплотворная способность 7500 ккал/кг.
Порода обладает сорбционными и каталитическими свойствами.
Шунгитовое вещество не является просто аморфным углеродом, а представляет собой смесь разнообразных углеродных аллотропов. чьи небольшие решетки соединены аморфным углеродом.
Химический состав шунгита, используемого в качестве сорбента или катализатора приведен Оксид алюминия 4%, оксид железа 1%, оксид кремния 36%, остальное - углерод.
Благодаря относительной легкости получения разнообразных углеродных аллотропов, шунгит категоризирован как перспективный материал для развития нанотехнологий и является объектом изучения в институтах нанотехнологий.
2
Шунгит содержит как твердый углерод, так и значительные количества оксида кремния; оба эти компонента в нем представлены весьма химически активными формами. В связи с этим он может быть использован в металлургии как восстановитель и - одновременно - как SiO-содержащий флюс и источник кремния (например, при производстве чугуна, феррохрома, ферросиликохрома или карбида кремния)
Шунгит применяется в строительстве, металлургии и медицине. Применение шунгита в энергетических установках оправдано его низкой стоимостью и большой эффективностью.
При проектировании системы очистки выхлопных газов следует учитывать, что окислительные и восстановительные реакции, протекающие в каталитическом нейтрализаторе, наиболее эффективны (т.е. происходят с наиболее высокой скоростью) в узком диапазоне коэффициента избытка воздуха, близком к стехиометрическому (0,95-0,98). При этом происходит эффективная нейтрализация всех трех основных токсичных компонентов окиси азота, углеводородов и окиси углерода. Окись углерода и углеводороды окисляются с образованием конечных продуктов сгорания топлива углекислого газа и воды, а окись азота восстанавливается преимущественно в реакции с окисью углерода
2
2
2NO+2CO->>N+2CO
В трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах предельная температура выхлопных газов не должна превышать 800°C. При более 800°C происходит потеря активности катализатора, а при более 1100°C оплавление блока каталитического вещества.
На фиг. 3 приведен внешний вид кассеты 16, на фиг. 4…8 наиболее детально представлены различные варианты кассет 16.
Кассета 16 (фиг. 3 и 4) в первом варианте исполнения содержит торцовые грани 23 и 24. С торцовой гранью 24 соединено основание 25, имеющее ручку 26. Под основанием 25 установлена герметизирующая прокладка 27. На основании 25 выполнены отверстия 28 для монтажа.
Во втором варианте (фиг. 5) на стороне кассеты 16, обращенной навстречу потоку газов выполнено скругление 29. В третьем варианте вместо второй противоположной стороне кассеты 16 также выполнено скругление 30. В четвертом варианте (фиг. 7) вместо скругления 29 выполнена острая кромка 31. В пятом варианте кассета 16 выполнена в виде аэродинамического профиля 32 (фиг. 9).
Кассеты 16 могут быть установлены под углом φ к вертикальной радиальной плоскости (фиг. 23). Оптимальное значение угла установки φ=5…7°. При меньших углах неэффективна очистка выхлопных газов, а при больших углах установки увеличивается аэродинамическое сопротивление кассет 16 в потоке выхлопных газов.
Возможна установка в полости 22 внутри выхлопной шахты 3 теплообменника-утилизатора 33, который состоит из секций 34 установленных радиально (фиг. 9 и 10). Секции 34 имеют входные и выходные патрубки, соответственно 35 и 36 к которым подведены подводящий трубопровод 37 и отводящий трубопровод 38.
Внешний вид секции 34 приведен на фиг.11. Секция 34 содержит (фиг. 11…13): корпус 39, имеющий узкие боковые грани 40, торцовые грани 41 и 42. С торцовой гранью 42 соединено основание 43, имеющее ручку 44. Под основанием 43 установлена герметизирующая прокладка 45. На основании 43 выполнены отверстия 46 для монтажа. Во внутренней полости 47 установлены трубы 48. Корпус 39 имеет отверстия 49.
Во втором варианте (фиг. 14) вместо узкой боковой грани 40 обращенной навстречу потоку газов выполнено скругление 50, а вместо другой противоположно расположенной боковой грани 40 выполнено скругление 51. В третьем (фиг. 15) варианте со стороны противоположной потоку газа выполнена прямоугольная щель 52 для выхода очищенного газа. В четвертом варианте (фиг. 16) также выполнена прямоугольная щель 53 со стороны, обращенной потоку газа.
В пятом варианте (фиг. 18) приведена усовершенствованная конструкция секции 34, образующая чрезвычайно высокой эффективностью теплоотдачи от выхлопных газов к стенке труб 48. Известно из книги М.И. Михеев, Основы теплопередачи. М., 1977 г, стр. 104, что максимальное значение коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании трубы имеет место в точнее находящейся на оси движения потока, а на боковых поверхностях в 4 раза ниже (фиг. 17). Для того, чтобы исправить этот недостаток, предложено применить отбортовки 54 в отверстиях 49 для интенсификации теплообмена. Снаружи выхлопной шахты выполнена вторая платформа 55.
Возможно применение паровой турбины 56, подсоединенной к отводящему трубопроводу 38 (фиг. 19). Подводящий трубопровод 37 присоединен к баку воды 57 и содержит насос 58.
Паровая турбина 56 имеет конструкцию, представленную на фиг. 19 и содержит переходник 59, корпус 60, входной обтекатель 61, сопловой аппарат 62, рабочее колесо 63 с рабочими лопатками 64, установленное на валу 65, установленный в свою очередь на опорах 66, выходной аппарат 67 и выхлопное устройство 68 с выходной трубой 69. К валу 65 при помощи муфты 70 присоединен вал 71 второго потребителя (генератора) 72.
На фиг. 20 приведена система подачи воды в шумоглушитель 15, которая содержит трубопровод 73 с насосом 74, присоединенный к баку воды 57.
На фиг. 21 приведена схема установки с устройством отбора выхлопных газов 75 для технических нужд. На фиг. 22 приведена выхлопная шахта 3 с устройством для закрутки потока 76.
РАБОТА УСТАНОВКИ
Для запуска установки фиг. 1 подают выхлопные газы из газотурбинного двигателя (газотурбинный двигатель на фиг. 1…22 не показан) на вход в свободную турбину 1. Раскручивается рабочее колесо 7 и вал 9, который через муфту 12 приводит во вращение вал 13 нагрузки 14.
При наличии паровой турбины 56 пар из теплообменника-утилизатора 33 подается в паровую турбину 56. Раскручивается рабочее колесо 63 с валом 65, который приводит во вращение вал 71 второй нагрузки 72.
Очистка выхлопных газов осуществляется катализатором 20 (фиг. 3) чрез который проходят эти газы. По мере потери активности катализатора 20 кассеты 16 (фиг. 1) заменяются. Площадка 37 улучшает условия труда и обеспечивает безопасность проведения работ.
Вторая площадка 54 используется для замены секций 34 теплообменника 33. Совмещение шумоглушителя и устройства очистки выхлопных газов позволит:
- обеспечить очистку выхлопных газов,
- снизить аэродинамические потери в выхлопном устройстве по сравнению с вариантом в виде двух независимо выполненных устройств: шумоглушителя и устройства для очистки выхлопных газов.
Применение в качестве катализатора очистки шунгита уменьшит стоимость оборудования и снизит затраты при его эксплуатации.
При необходимости при помощи трубопровода отбора 75 (фиг. 21) из выхлопной шахты 3 может отбираться выхлопной газ, содержащий примеси несгоревших углеводородов и водорода, образовавшегося при каталитическом разложении воды. Для увеличения времени пребывания потока выхлопных газов он может быть закручен до нейтрализатора 15 при помощи устройства для закрутки потока 76 (фиг. 22).
Применение полезной модели позволило:
1. Создать автономную энергетическую установку, обеспечивающую потребителя одновременно электроэнергией и теплом.
2. Увеличить КПД установки:
- за счет применения блоков шумоглушения и секций телообменника-газификатора плоской формы, их особой компоновки в выхлопной шахте и совмещения функций шумоглушения и очистки в одном устройстве,
- за счет выполнения секций теплообменника-утилизатора такой конструкции, которая позволяет в несколько раз повысить коэффициент теплоотдачи от выхлопных газов к трубкам теплообменника-газификатора.
3. Снизить эмиссию вредных веществ в выхлопных газах за счет применения для очистки катализатора очистки.
4. Обеспечить удобство в эксплуатации и обеспечение безопасности работ при ремонте установки за счет применения платформ обслуживания.
5. Производить быструю замену кассет с катализатором очистки, по мере их загрязнения и быструю замену секций теплообменника-утилизатора.