ПАРОТУРБИННАЯ ГЕЛИОТЕПЛОТРУБНАЯ УСТАНОВКА
STEAM TURBINE SOLAR THERMAL PIPE PLANT

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных источников, а именно, трансформации тепловой энергии солнца, наружного воздуха и воды в механическую и электрическую для перемещения водного транстпортного средства.
Известен коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, соединенных с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которых покрыта полосами и решеткой из пористого материала, в которой расположен распределительный коллектор, с форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы и каплеотбойник, соединенную через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально силовые турбины, и которая соединена через кольцевое уплотнение с конденсационной камерой, состоящей из цилиндрической распределительной секции, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы с внутренней поверхностью покрытой полосами и решеткой из пористого материала, соединенными с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, вал которого соединен с осью силовой турбины, а напорный трубопровод с распределительным коллектором [Патент РФ №2379526 F01K 25/00. F28D 15/02, 2010].
Основными недостатками известного коаксиального мультитеплотрубного двигателя являю км соединение рабочей камеры с испарительной и конденсационной камерами через кольцевые уплотнения, что ограничивает величину давления пара, при котором работает устройство и снижает его герметичность, невозможность размещения испарительной и конденсационной камер на удалении друг от друга, что ограничивает область применения устройства и невозможность параллельного получения электрической энергии, что, в конечном и итоге, уменьшают его надежность и эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению являемся паротурбинная мультитеплотрубная установка, которая содержит, расположение по ходу движения пара: испарительную камеру (испаритель), состоящую из вертикальных испарительных гильз (образующих испарительную поверхность), соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность, боковых стенок и конусного днища сепарационной секции, испарительных гильз покрыты решеткой из полос пористого материала, вверху сепарационной секции расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, а снизу помешен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок; рабочую камеру, состоящую из силовой турбины, снабженной патрубками входа и выхода пара, вал колеса которой соединен снаружи с рабочим органом; конденсационную камеру (конденсатор), крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара, соединенным с патрубком выхода отработавшего пара рабочей камеры, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены о (крытыми торнами вертикальные конденсационные гильзы (образующих конденсационную поверхность), внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала, соединенной с массивом фитиля, причем в центре массива фитиля устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, вал которого пропущен через крышку конденсационной камеры коаксиально валу колеса силовой турбины и соединен с ним, а напорный патрубок соединен трубопроводом с распределительным коллекторам [Патент РФ №2449134 F01K 25/00, F28D 15/02, 2012].
Недостатками известной паротурбинной мультитеплотрубной установки являются невозможность ее использования в качестве двигателя для водного транспорта, обусловленная выполнением теплообменных поверхностей испарителя и конденсатора в виде гильз, затеняющих друг друга и создающих высокое гидравлическое сопротивление при их перемещении и параллельного получения в ней электрической энергии, что, в конечном итоге, уменьшают ее надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и эффективности паротурбинной гелиотеплотрубной установки.
Технический результат достигается в паротурбинной гелиотеплотрубной установке, содержащей, расположенные по ходу движения пара: испаритель, крышка которого представляет собой испарительную поверхность, составленную из полых пирамидальных секций, обращенных своими вершинами наружу и покрытых снаружи фотоэлементами, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища испарителя покрыты решеткой из полос пористого материала, внутри испарителя расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в полости пирамидальных секций, снизу размещен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок; силовую турбину, корпус которой снабжен патрубками входа и выхода пара, вал которой, соединен с рабочим органом; конденсатор, крышка которого снабжена входным патрубком отработавшего пара, днище представляем собой конденсационную поверхность, выполнено ребристым, с направлением ребер параллельным оси вала турбины и покрыто изнутри решеткой из полос пористого материала, соединенной с расположенными на внутренних кромках ребер продольными фитилями, которые, в свою очередь, соединены левыми горцами с фитилем-коллектором, соединенным транспортным фитилем, помещенным в трубопровод, с расположенным в корпусе питательной установки, массивом фитиля и сообщающимся с ним через перфорированную стенку, резервуаром, в котором помещен питательный насос, вал ротора которого, пропущен через боковую стенку корпуса питательной установки коаксиально валу силовой турбины и соединен с ним, напорный патрубок питательного насоса соединен конденсатопроводом с входным патрубком распределительною коллектора, патрубки входа рабочего и выхода отработавшего пара силовой турбины соединены с паровыми патрубками испарителя и конденсатора паропроводами, соответственно, а фотоэлементы соединены с блоком накопления электроэнергии.
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2 - узел, на фиг.3-6 - разрезы предлагаемой паротурбинной гелиотеплотрубной установки (ПТГТТУ).
ПТГТТУ содержит, расположенные но ходу движения пара: испаритель 1, крышка которого представляет собой испарительную поверхность 2 и составлена из полых пирамидальных секций 3, обращенных своими вершинами наружу, покрытых снаружи фотоэлеметами 4, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища испарителя 1 покрыты решеткой 5 из полос пористого материала, внутри испарителя 1 расположен распределительный коллектор 6, снабженный форсунками 7, размещенными в центре входа в полости пирамидальных секций 3, снизу размещен каплеотбойник 8, под которым устроен паровой патрубок 9; силовую турбину 10, корпус которой снабжен патрубками входа рабочего и выхода отработавшего пара 11 и 12, вал которой 13, соединен с рабочим органом (на фиг.1-6 не показан); конденсатор 14, крышка которого снабжена входным патрубком отработавшею пара 15, днище представляет собой конденсационную поверхность 16, выполнено ребристым, направление ребер 17 параллельно оси вала 13 турбины 10 и покрыто изнутри решеткой 5 из полос пористого материала, соединенной с расположенными на внутренних кромках ребер 17 продольными фитилями коллекторами 18, которые, в свою очередь, соединены левыми торцами с общим фитилем-коллектором 19, соединенным транспортным фитилем 20, помещенным в трубопровод 21, с расположенным в корпусе питательной установки 22, массивом фитиля 23 и сообщающимся с ним через перфорированную стенку 24, резервуаром 25, в котором помещен питательный насос 26, вал 27 которого пропущен через боковую слепку корпуса питательной установки 22 коаксиально валу 13 силовой турбины 10 и соединен с ним, напорный патрубок 28 питательного насоса 26 соединен конденсатопроводом (на фиг.1-6 не показан) с распределительным коллектором 6, патрубки входа рабочего и выхода отработавшего пара 11 и 12 силовой турбины 10 соединены с паровыми патрубками 9 и 15 испарителя 1 и конденсатора 14 паропроводами (на фиг.1-6 не показаны), соответственно, а фотоэлементы 4 соединены с блоком накопления электроэнергии 29.
В основе работы предлагаемой ПТГТТУ наряду с использованием солнечной энергии для получения электричества, лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117], устройство и принцип действия винтового насоса [Т.М. Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М: Машиностр., 1982, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны и т.д. [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа. 1988. с.106].
Предлагаемая ПТГТТУ работает следующим образом (рассматривается вариант использования ПТГТТУ в качестве двигателя для водного транспорта). Испаритель 1 устанавливают на палубе транспортного средства (на фиг.1-6 не показаны) таким образом, чтобы фотоэлементы 4 воспринимали максимальное количество солнечной энергии (угол наклона граней пирамидальных секций 3 выбирают в зависимости от географического расположения маршрута движения), силовую турбину 10 устанавливают в нижней части кормы транспортного средства, а конденсатор 14 устанавливают в специальной нише дниша так, чтобы кромки ребер 17 были параллельны продольной оси транспортного средства (на фиг.1-6 не показаны). После этого осуществляют соединение всех коммуникаций, а выходной торец вала 13 силовой турбины 10 присоединяют к рабочему органу (например, винту). Перед началом работы из полостей испарителя 1, корпуса турбины 10, конденсатора 14, питательной установки 22 ПТГТТУ удаляют воздух и заполняют пористый материал решеток 5, фитили 18, 19, 20, 23, резервуар 25, полость питательного насоса 26, напорный трубопровод (на фиг.1-6 не показан) и коллектор с рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред, (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости (на фиг.1-6 не показаны), после чего ПТГТТУ устанавливают таким образом, чтобы испарительная поверхность 2 испарителя 1 контактировала с горячей средой (солнечными лучами и наружным воздухом), а конденсационная поверхность 16 конденсатора 14 с холодной средой (водой).
В результате нагрева испарительной поверхности 2 испарителя 1 на внутренней поверхности полых пирамидальных секций 3 происходит испарение рабочей жидкости, находящейся в пористом материале решетки 5, которая предотвращает образование паровой пленки па внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М: 1990, с.22], образуется пар с давлением равным давлению, развиваемому питательным насосом 26, которым, проходя через каплеотбойник 8, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, поглощаемых пористым материалом решетки 5, который снова транспортирует их в зону испарения. Очищенный пар поступает через патрубок 9, напорный паропровод (на фиг 1-6 не показан) и патрубок рабочего пара 11 в корпус силовой турбины 10, вращаем ее рабочее колесо, сообщает вращательное движение валам 27 и 13 и соответственно, ротору питательного насоса 26 и вращающий момент М рабочему органу (винту), в результате чего питательный насос 26 перемешаем рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган (винт) производит полезную работу, перемещая транспортное средство. В полости корпуса силовой турбины 10 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший мятый пар поступает через патрубки 12 и 15 в конденсатор 14, давление в котором значительно меньше, чем в испарителе 1. Отработанный пар конденсируется на внутренней поверхности ребер 17 за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой (водой), которая омывает конденсационную поверхность 16 конденсатора 14. Образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом решетки 5. фитилями 18, 19, 20, 23 и под воздействием капиллярных сил и разрежения заполняет резервуар 25, откуда поступает во всасывающее отверстие насоса 26. Далее, рабочая жидкость через напорный трубопровод (на фиг.1-6 не показан), коллектор 6 и форсунки 7 под давлением, создаваемым насосом 26, величина которого определяет рабочее давление пара, в испарителе 1, разбрызгивается по внутренней поверхности и полых пирамидальных секции 3, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости на каплеотбойнике 8 и цикл повторяется.
Одновременно, в результате воздействия солнечных лучей на фотоэлементы 4, размещенные на наружной поверхности полых пирамидальных секций 3 испарителя 1, в них происходит выработка электричества, которое поступает в электрическую сеть транспортного средства и в блок накопления электроэнергии 29. Процесс испарения рабочей жидкости с внутренней поверхности полых пирамидальных секции 3 и отвода из испарителя 1 полученного пара, обеспечивает интенсивный отвод тепла от фотоэлементов 4 и создает тем самым оптимальный режим для их работы.
При этом, при увеличении скорости движения транспортного средства увеличивается турбулизация потоков горячей и холодной сред, которая увеличивает скорость теплообмена между испарительной поверхностью 2 испарителя 1 (поверхностью полых пирамидальных секций 3) и горячей средой (солнечными лучами и наружным воздухом), конденсационной поверхностью 16 (наружной поверхностью ребер 17) конденсатора 14 и холодной средой (водой), что автоматически увеличивает мощность ПТГТТУ.
Таким образом, конструкция предлагаемой ПТГТТУ обеспечивает улучшение режима работы фотоэлементов, интенсивное использование солнечной энергии и низкопотенциальной энергии окружающей среды, позволяет одновременно генерировать электрическую и механическую энергии, что повышает ее надежность и эффективность.