ПАРОТУРБИННАЯ МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНАЯ УСТАНОВКА
STEAM TURBINE MULTIHEAT-PIPE PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.
Известен коаксиальный теплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, снабженную каплеотбойником, внутренние боковые стенки ее покрыты фитилем, соединенным с решеткой из тонкого слоя пористого материала, покрывающей внутреннюю поверхность торцевой стенки, рабочую камеру в форме цилиндрической трубы с кольцевым буртиком и винтом на наружной поверхности, внутри которой помещены коаксиально силовые турбины, конденсационную камеру, соединенную с рабочей камерой через кольцевое уплотнение, состоящую из обоймы, закрывающей винтовую поверхность рабочей камеры, образуя питательный насос, соединенный с испарительной камерой напорным трубопроводом, снабженным на конце форсункой, и конденсационной зоны, внутренние боковые стенки которой покрыты фитилем и решеткой из тонкого слоя пористого материала на внутренней поверхности торцевой стенки [Патент РФ №2320878 F01K 17/00, 2008].
Основными недостатками известного коаксиального теплотрубного двигателя является размещение ротора насоса на наружной поверхности корпуса и незначительная площадь контакта с горячей и холодной средами, что усложняет его конструкцию и ограничивает мощность.
Более близким к предлагаемому изобретению является коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос и соединенных с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которой покрыта полосами того же пористого материала, поверхность боковых стенок покрыта фитилем, в которой расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, и каплеотбойник, соединенный через кольцевое уплотнение с рабочей камерой, выполненной в форме цилиндрической трубы, соединенной снаружи с рабочим органом, внутри которой устроены коаксиально силовые турбины, 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 боковой поверхностью, покрытой полосами, а торца - решеткой из пористого материала, и соединенными с массивом фитиля, в центре которого устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, ротор которого насажен на вал, жестко соединенный с осью силовой турбины, а напорный трубопровод с распределительным коллектором в испарительной камере [Патент РФ №2379526 F01K 25/00, F28D 15/02, 2010].
Основными недостатками известного коаксиального мультитеплотрубного двигателя являются: 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, в конечном итоге, уменьшает его надежность и эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и эффективности паротурбинной мультитеплотрубной установки.
Технический результат достигается в паротурбинной мультитеплотрубной установке, которая содержит: расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала, и соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность боковых стенок и конусного днища которой покрыты решеткой из полос пористого материала, причем вверху сепарационной секции расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, а снизу помещен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок; рабочую камеру, выполненную в виде корпуса силовой турбины, снабженную патрубком входа пара высокого давления, через который она соединяется трубопроводом с паровым патрубком испарительной камеры, и патрубком выхода отработавшего пара, внутри которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, соединенный снаружи с рабочим органом; конденсационную камеру, состоящую из распределительной секции, крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара рабочей камеры, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы, 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, ротор которого насажен на вал, пропущенный через крышку конденсационной камеры коаксиально валу колеса силовой турбины, и жестко соединенный с ним, а напорный патрубок соединен трубопроводом с распределительным коллектором.
На фиг.1 представлен общий вид; на фиг.2-5 - разрезы; на фиг.6 и 7 - узлы предлагаемой паротурбинной мультитеплотрубной установки (ПТМТТУ).
ПТМТТУ содержит: расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, состоящую из вертикальных испарительных гильз 2, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала 3, и соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища которой покрыты решеткой из полос пористого материала 3, причем вверху секции 4 расположен распределительный коллектор 5, снабженный форсунками 6, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 2, а снизу размещен каплеотбойник 7, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, под которым устроен паровой патрубок 8; рабочую камеру 9, выполненную в виде корпуса силовой турбины 10, снабженную патрубком входа пара высокого давления 11, через который она соединяется трубопроводом (на фиг.1-7 не показан) с паровым патрубком 8 испарительной камеры 1, и патрубком выхода отработавшего (мятого) пара 12, внутри которой помещено колесо силовой турбины 13, насаженное на вал 14, соединенный снаружи с рабочим органом (на фиг.1-7 не показан); конденсационную камеру 15, состоящую из распределительной секции 16, крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара 17, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара 12, а днище покрыто массивом фитиля 18 с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы 19, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала 3, соединенной с массивом фитиля 18, причем в центре фитиля 18 устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками 20, в котором помещен питательный насос 21, ротор которого насажен на вал 22, пропущенный через крышку конденсационной камеры 15 коаксиально валу 14 колеса 13 силовой турбины, и жестко соединенный с ним, а напорный патрубок 23 соединен трубопроводом (на фиг.1-7) с распределительным коллектором 5.
В основе работы предлагаемой ПТМТТУ лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.117], устройство и принцип действия винтового насоса [Т.М.Башта др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982, с.347] и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, 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: Выш. школа, 1988, с.106].
Предлагаемый ПТМТТУ работает следующим образом.
Предварительно прикрепляют к неподвижным опорам (на фиг.1-7 не показаны) корпус силовой турбины 10 рабочей камеры 9, которую через патрубок 11, трубопровод (на фиг.1-7 не показан) соединяют с патрубком 8 испарительной камеры 1 и с конденсационной камерой 15, обеспечивая жесткое коаксиальное соединение валов 14 и 22, соединяют через патрубки 12 и 17, причем напорный патрубок 23 конденсационной камеры 15 также соединяют трубопроводом (на фиг.1-7 не показан) с коллектором 5 испарительной камеры 1, а выходной торец вала 14 колеса силовой турбины 13 присоединяют к рабочему органу (электрогенератору, насосу, компрессору и т.д.).
Перед началом работы из камер 1, 9, 15 ПТМТТУ удаляют воздух и заполняют фитиль 18, пористый материал решеток 3, цилиндрический резервуар 20, полость питательного насоса 21, напорный трубопровод (на фиг.1-7 не показан) и коллектор 5 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости (на фиг.1-7 не показаны)), после чего ПТМТТУ устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 15 - с холодной.
В результате нагрева испарительных гильз 2 испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности испарительных гильз 2, причем пористый материал решетки 3 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. - М.: 1990, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 21, который, проходя через каплеотбойник 7, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на пористый материал решетки 3, поглощающий эти капли и снова транспортирующие их в зону испарения. Очищенный пар поступает через патрубок 8, трубопровод (на фиг.1-7 не показан) и патрубок 11 в корпус 10 рабочей камеры 9 на лопатки колеса силовой турбины 13, вращает их, сообщает вращательное движение валам 22 и 14 и соответственно ротору питательного насоса 21 и вращающий момент М рабочему органу, в результате питательный насос 21 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган производит полезную работу. В полости корпуса 10 рабочей камеры 9 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления, после чего отработавший мятый пар поступает через патрубки 12 и 17 в конденсационную камеру 15, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. Пар конденсируется в конденсационных гильзах 19 за счет контакта их наружной поверхности с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат рабочей жидкости всасывается пористым материалом решетки 3, фитилем 18 и под воздействием капиллярных сил и разрежения поступает во всасывающее отверстие насоса 21. Далее рабочая жидкость через напорный трубопровод (на фиг.1-7 не показан), коллектор 5 и форсунки 6 под давлением, создаваемым насосом 21, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1, разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 2, где происходит вышеописанный процесс испарения, после чего образовавшийся пар освобождается от капель рабочей жидкости на каплеотбойнике 7, и цикл повторяется.
Так как в предлагаемом ПТМТТУ отсутствует соединение рабочей камеры с испарительной и конденсационной камерами через вращающиеся кольцевые уплотнения, то эта особенность его конструкции позволяет повысить давление пара и герметичность устройства, кроме того, испарительную камеру можно устанавливать на значительном расстоянии от рабочей и конденсационной камер и в любой ориентации относительно их в пространстве, что значительно расширяет функциональные возможности ПТМТТУ и, в конечном итоге, повышает его надежность и эффективность.