АППАРАТ, ВЫПОЛНЯЮЩИЙ ФУНКЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕННИКА, ТУРБИНЫ И НАСОСА - ТТН
UNIT FUNCTIONING AS HEAT-AND MASS EXCHANGER, TURBINE AND PUMP - HTP

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для контактного нагрева воды паром при одновременном использовании кинетической энергии пара для вращения воды, передаваемой на силовой вал, передающий энергию на транспортирование нагретой воды, и, при необходимости, на привод электрогенератора, вырабатывающий электроэнергию.
Для привода электрогенератора используются паровые турбины. На ТЭС используются также турбонасосы (центробежные насосы, приводом которых являются паровые турбины). Турбонасосы в некоторых котельных являются резервными питательными насосами для паровых котлов на случай отключения электроэнергии.
В последнее время для выработки собственной электроэнергии в котельных стали проектироваться электрогенераторы с небольшими паровыми турбинами, использующими пар невысоких параметров.
Недостатками турбогенераторов и турбонасосов для малых котельных, работающих на теплоснабжение потребителей, являются высокая стоимость паровой турбины, сложность в изготовлении и в эксплуатации, наличие конденсаторов для конденсации отработанного пара или потеря этого пара.
Была предпринята попытка использовать пар от паровых котлов низкого и среднего давления для контактного нагрева воды в кинетическом насосе и транспортирования ее в теплосеть за счет энергии пара (патент РФ №2210043, Зимин Б.А., опубл. 10.08.2003). Этот аппарат хорошо нагревает большое количество воды до необходимой температуры, обеспечивая вращательное движение жидкости внутри корпуса. Однако у него очень небольшой коэффициент использования кинетической энергии пара (менее 5%) для транспортирования воды в теплосеть. Давление воды после насоса ненамного больше давления воды перед насосом (создаваемое давление передается во все стороны одинаково, что требует установки электронасоса для циркуляции воды в системе). Этот кинетический насос-теплообменник - КНТ (Патент РФ №2210043) выбран в качестве прототипа.
Известный кинетический насос-теплообменник (КНТ) содержит подводящие патрубки воды и пара, корпус в виде обечайки (отрезка трубы) или двух обечаек разного диаметра, соединенных последовательно, с торцевыми крышками. На некотором расстоянии от передней торцевой крышки внутри корпуса установлена шайба (кольцевая перегородка) с отверстием для входа воды внутрь корпуса, образуя входную камеру. Входной патрубок воды присоединен к корпусу тангенциально между торцевой крышкой и шайбой. Патрубок паропровода (или несколько патрубков) соединен с внутренней частью корпуса через промежуточную камеру, расположенную вокруг корпуса, и через тангенциальные сопла, проходящие через корпус (установленные с наклоном к радиусу, близким к тангенциальному), а отводящий патрубок нагретой жидкости присоединен к корпусу тангенциально.
Этот аппарат повышает давление воды после себя, но незначительно. В этом аппарате (КНТ) - низкий коэффициент использования кинетической энергии для транспортировки жидкости (для увеличения давления жидкости после аппарата). Для использования аппарата в системе теплоснабжения необходим циркуляционный электронасос. Нельзя этот аппарат использовать для привода электрогенератора или центробежного насоса.
Задачей настоящего изобретения является создание такого аппарата, который бы использовал преимущества КНТ (выполнял функцию парового контактного водонагревателя) и был бы одновременно силовой машиной (гидротурбиной), передающей силовую нагрузку при помощи воды и пароводяной смеси на силовой вал и далее непосредственно транспортируемой воде или на вал электрогенератора, насоса либо другого силового агрегата с достаточным КПД (около 30%).
Сущность изобретения как технического решения заключается в том, что аппарат, выполняющий функции тепломассообменника, турбины и насоса - ТТН, содержит корпус, выполненный из обечайки (отрезка трубы) или из двух обечаек разного диаметра, соединенных между собой последовательно, с передней и задней торцевыми крышками, с шайбой с центральным отверстием для входа воды (кольцевой перегородкой), установленной на расстоянии от передней крышки, с тангенциальным или радиальным патрубком подвода воды, присоединенным к корпусу между передней крышкой и шайбой, паропровод, связанный с внутренней частью корпуса через промежуточную паровую камеру вокруг корпуса и через тангенциальные сопла, проходящие через стенку корпуса, отводящий трубопровод нагретой воды, подсоединенный к корпусу тангенциально, причем внутри корпуса, по оси корпуса установлен вал, на котором последовательно насажены и закреплены диски, расположенные на расстоянии друг от друга, а между шайбой и дисками на валу насажено и закреплено рабочее колесо насоса (центробежного или осевого) или удлиненный конец вала вынесен за переднюю торцевую крышку и присоединен к валу центробежного насоса, а сам насос установлен в рассечку трубопровода, подводящего воду к ТТН.
В одном из вариантов выполнения в рассечку отводящего трубопровода нагретой воды установлен центробежный насос, вал которого соединен с задним концом вала ТТН, проходящим через заднюю крышку ТТН.
В одном из вариантов выполнения к концу вала, проходящему через заднюю крышку, присоединен вал электрогенератора или другого силового агрегата.
В одном из вариантов выполнения диски имеют шероховатости в виде зубцов на внешней окружности дисков и(или) радиальные канавки по боковым сторонам.
Поставленная задача достигается тем, что внутри корпуса аппарата КНТ, выполненного в виде обечайки или в виде обечаек разного диаметра, соединенных последовательно, переднюю торцевую крышку, шайбу (кольцевую перегородку) с отверстием по центру, заднюю торцевую крышку, подводящие патрубки воды и пара, отводящий патрубок нагретой воды, присоединенный тангенциально к корпусу, по оси аппарата устанавливают вал, на который надевают и закрепляют последовательно рабочее колесо центробежного или осевого насоса и набор дисков, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем рабочее колесо насоса устанавливают в непосредственной близости от отверстия шайбы, а передний конец вала сочленяют подшипником (подпятником) с передней крышкой, или вал проходит чрез уплотнения по центру передней крышки и имеет приспособление для сочленения с валами других агрегатов (полумуфту). Выходной патрубок нагретой воды присоединяют тангенциально к задней части корпуса. Окружности дисков могут быть зубчатыми или гладкими (плохо обработанными), а боковые стороны дисков могут иметь шероховатость (например, радиальные канавки глубиной до одного миллиметра или более). Все диски или часть дисков располагают напротив паровых сопел или(и) между сопел. Задний конец вала закрепляют в подпятнике (подшипнике) задней торцевой крышки или пропускают через центральное отверстие этой крышки с использованием уплотнений, а на конце вала устанавливают полумуфту или другое устройство для соединения с валом электрогенератора, насоса или другого силового агрегата. ТТН становится и силовой гидротурбиной.
Паровую турбину, выполненную в виде полого цилиндра с торцевыми крышками, тангенциальными паровыми соплами и валом с нанизанными дисками, предложил Никола Тесла (см. Петр Образцов «Никола Тесла. Ложь и правда о великом изобретателе», Москва, «ЯУЗА», «ЭКСМО», 2009, стр.131).
На фиг.1 изображен продольный разрез ТТН, используемого в качестве парового контактного нагревателя воды и гидротурбины для повышения давления воды с целью транспортирования ее в системе теплоснабжения.
На фиг.2 - схема теплоснабжения, использующая ТТН для контактного нагрева воды паром и для обеспечения циркуляции воды в системе теплоснабжения. К наружной части вала ТТН может быть присоединен электрогенератор для выработки электроэнергии (на чертеже присоединение показано пунктиром).
На фиг.3 - то же, что на фиг.1, но с выносом вала и рабочего колеса насоса за пределы передней крышки корпуса с помещением его в отдельный агрегат - насос.
На фиг.4 - то же, что на фиг.3, с дополнительным насосом второй ступени, повышающим давление воды, присоединенным к заднему концу вала турбины и соединенным последовательно по ходу циркулирующей воды.
ТТН имеет корпус 1, выполненный из обечайки (отрезка трубы) или двух обечаек разного диаметра, соединенных последовательно, переднюю торцевую крышку 2, заднюю торцевую крышку 3, подводящий тангенциальный или радиальный патрубок воды 4, шайбу 5 (кольцевую перегородку), входную камеру воды 6, подпятник или подшипник 7 в крышке 2, патрубок 8 подвода пара к промежуточной кольцевой камере 9, расположенной вокруг корпуса 1; тангенциальные сопла (конические или сопла Лаваля) 10, проходящие сквозь стенку корпуса 1, направленные на диски 13 и(или) на промежутки между ними или в пространство корпуса, где диски отсутствуют; 11 - вал ТТН; 12 - рабочее колесо центробежного или осевого насоса, укрепленного на валу 11 ТТН (или центробежный насос 12а (фиг.4), вынесенный за пределы ТТН); 13 - диски ТТН, насаженные на вал 11; 14 - патрубок отвода нагретой жидкости из ТТН, присоединенный тангенциально к корпусу 1; 15 а - полумуфта на валу ТТН в передней части; 15б - то же, в задней части вала;
На схеме (фиг.2) и на фиг.4 цифрой 16 обозначен ТТН; 17 - подводящий к ТТН трубопровод воды замкнутого циркуляционного контура; 18 - отводящий трубопровод нагретой воды; 19 - обводной трубопровод помимо ТТН; 20 - поверхностный теплообменник или ЦТП (центральный тепловой пункт) с циркуляционным трубопроводом 21, насосом 22 и потребителями тепла 23;
Циркуляционный насос 24 служит для циркуляции воды по внутреннему контуру при малых тепловых нагрузках, когда энергии пара может быть недостаточно для нормальной циркуляции воды, а также при использовании электрогенератора, отнимающего большую часть мощности ТТН; 25 - предохранительный сбросной клапан, отводящий конденсат, циркулирующий в замкнутой системе, в конденсатный бак (система первого контура при работе постепенно заполняется конденсатом); 26 - паропровод рабочего пара с регулирующим клапаном 27; 28 - датчик температуры для регулятора расхода пара; 29, 29а - трубопроводы наполнения водой теплосетей (внутреннего и наружного контура); 30 - центробежный насос (вторая ступень повышения давления воды), соединенный с ТТН последовательно по потоку нагретой воды;
Работа ТТН осуществляется следующим образом. Вариант 1: ТТН выполняет функцию парового контактного тепломассообменника (нагревателя воды), паровой гидротурбины и циркуляционного насоса (турбонасоса), осуществляющего циркуляцию теплоносителя (воды) по замкнутому внутреннему контуру ТТН - ЦТП (центральный тепловой пункт с водоводяными подогревателями систем отопления и горячего водоснабжения для потребителей) - ТТН. Системы первого контура и второго контура (контура потребителей тепла) заполняют водой. Включают насос 24 и обеспечивают циркуляцию воды по замкнутому контуру. Дают пар по трубопроводу 29, через камеру 9 и сопла 10. Вода в ТТН начинает нагреваться и приобретает вращательное движение за счет кинетической энергии пара, выходящего из тангенциальных сопел 10 с высокой скоростью. Пар и вода образуют гомогенную смесь, которая вращается с большой линейной скоростью вокруг вала и дисков. Эта смесь контактирует с дисками 13 и передает им вращающий момент за счет трения о диски. Зубчатка на внешней стороне дисков 13 (по окружности дисков) и шероховатость боковых сторон дисков увеличивают коэффициент трения между парожидкостной смесью и дисками. Внутренняя энергия пара нагревает воду, а кинетическая энергия пара обеспечивает вращательное движение воды, которое передается на вал 11 через диски 13. Чем больше скорость вращения воды, тем больше давление воды на корпус аппарата (давление элементарной массы воды пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу закрутки). Рабочее колесо 12 центробежного или осевого насоса, насаженное на вал в его начале, препятствует обратному ходу воды из корпуса турбины в камеру 6 и создает эжектирующий эффект в камере 6 и подводящем водопроводе. Энергия вращения дисков 13 передается на вал и на рабочее колесо 12 (или 12а), который повышает давление воды внутри корпуса 1 и после ТТН и осуществляет ее циркуляцию по замкнутому контуру. Насос 24 отключают. Тепло нагретой воды передается потребителям по трубе 18 через теплообменники 20 (ЦТП), а вода возвращается в ТТН 16. При конденсации пара в системе образуется конденсат, что приводит к повышению давления воды в системе. Сбросной клапан 25 поддерживает постоянство давления воды в системе и сбрасывает конденсат в конденсатный бак. Постепенно вся система заполняется только конденсатом.
Насос 24 находится в резерве или его включают в работу при малых тепловых нагрузках, когда недостаточна кинетическая энергия пара.
Вариант 2 (см. фиг.4). Схема теплоснабжения та же, что и в варианте 1. Нагретая в ТТН вода последовательно подается в насос 30 и далее в трубопровод 18 и теплообменники 20 (насос 30 установлен в рассечку трубопровода 18). Вал насоса 30 соединен с валом ТТН полумуфтами. Напор воды, создаваемый ТТН, удваивается.
Вариант 3: К ТТН 16 (см. фиг.2) присоединяют электрогенератор. ТТН осуществляет функцию парового контактного теплообменника, а электрогенератор вырабатывает электроэнергию для собственных нужд. Электронасос 24 осуществляет циркуляцию воды, помогая насосу 12 (12а) и ТТН 16. Большая часть кинетической энергии пара расходуется на выработку электроэнергии, и насос 12 может не обеспечить необходимого расхода воды.
Технике - экономическая эффективность
Наличие в передней части вала рабочего колеса насоса или наличие вынесенного насоса обеспечивают повышение давления воды в турбине, создают препятствие для обратной передачи давления воды из корпуса ТТН в подводящий водопровод, обеспечивают нагнетание воды в отводящий водопровод. Наличие дисков на валу обеспечивает вращение вала за счет передачи им энергии от вращающегося потока воды и передачу энергии от вала к насосам и(или) к электрогенератору. КПД использования кинетической энергии пара в ТТН может превысить 30%. ТТН можно устанавливать в небольших и средних котельных для теплоснабжения с использованием аппарата в качестве нагревателя воды и турбонасоса или с выработкой электроэнергии для собственных нужд котельной.
Наличие двух вынесенных наружу насосов (фиг.4) создает увеличение давления воды в два раза (одноступенчатым насосом невыгодно создавать высокое давление воды за счет увеличения линейной скорости закрутки воды, так как при увеличении линейной скорости воды свыше 45 м/с резко падает КПД насоса).
Вынос насосов 12а и 30 за пределы корпуса турбины упрощает и удешевляет конструкцию самой турбины и позволяет пользоваться серийным оборудованием, присоединяя к турбине серийные насосы.
Установка подводящего патрубка воды тангенциально входной камере обеспечивает предварительную закрутку воды перед поступлением в ТТН, что уменьшает сопротивление входа воды.
Выполнение дисков шероховатыми увеличивает коэффициент трения воды о диски, за счет чего увеличивается передача кинетической энергии от вращающегося потока водопаровой смеси к валу.
ТТН может быть использован при высоких давлениях воды, подаваемых сторонними насосами в ТТН, например, для закачивания очень горячей воды в нефтяные скважины. Причем высокое давление воды и пара позволяют нагревать воду до высоких температур.