Высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки
HIGH-TEMPERATURE ROTATING DISC REGENERATIVE HEATER OF WORKING FLUID OF POWER PLANT

Область применения изобретения: теплоэнергетическое машиностроение, преимущественно, для печей, их горелок и других частей теплоэнергетических установок или установок в целом, например, таких как микротурбинные электрогенераторы, в составе гибридных силовых установок для генерирования электрического тока и/или тепла. Сущность изобретения: предложена конструкция вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки и последовательность его работы для предотвращения тепловых деформаций каркаса в условиях высоких температур вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки путем изготовления ячеистой структуры каркаса подогревателя, где теплообменные ячейки выполнены в виде отдельных стаканов с внешними шестигранными поверхностями и с внутренними поверхностями каналов, в каждом из которых между указанными поверхностями выполнена кольцеобразная полость, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество, имеющее возможность изменения своего агрегатного состояния при подводе и отводе тепла, а диски подогревателя выполнены из материалов, имеющих разные коэффициенты температурного расширения.
Известна энергетическая установка с высокотемпературным вращающимся дисковым подогревателем, который содержит корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, включающий каркас, состоящий из горячего и холодного торцевых дисков и теплообменных ячеек с внутренним каналом, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и газовых потоков и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый теплообменник выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски или и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам соответствующим радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе, причем теплообменник выполнен с возможностью дожигания изменчивых органических составов (volatile organic compounds VOCs), которые очень огнеопасны и вызывают несчастные случаи при нарушении техники безопасности, и могут запустить взрывы, и являются главным источником загрязнения воздуха (см. патент республики Корея № KR 101431189 В1 (заявка KR 20140067766 А), заявитель SEIN ENT СО LTD (KR), МПК F23C 7/06 и F23L 15/02, опубл. 05.06.2014).
Основным недостатком известной энергетической установки является то, что высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель в ней выполнен с возможностью дожигания изменчивых органических составов, то есть имеет конструкцию, сложную из-за универсальности, выполненную с возможностью предотвращения взрывов и имеющую большой запас прочности на случай их возникновения.
Известна энергетическая установка с высокотемпературным вращающимся дисковым подогревателем, который содержит корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, включающий каркас, состоящий из горячего и холодного торцевых дисков и теплообменных ячеек с внутренним каналом, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и/или каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам соответствующим радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе, причем подогреватель выполнен с возможностью подогрева газа, содержащего повышенное количество кислорода для последующего его подачи для сжигания в среде кислорода угольной пыли (см. патент Японии № JP 6273747 В2 (заявка JP 2015072092 А), заявитель IHI CORP ( I Н I) (JP), МПК F23L 15/02, опубл. 16.04.2015).
Основным недостатком известной энергетической установки является то, что высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель выполнен с возможностью дожигания изменчивых органических составов, то есть имеет сложную конструкцию контактных уплотнений с возможностью подачи завесы из нейтральных газообразных продуктов, что значительно усложняет эту конструкцию.
Известна энергетическая установка с высокотемпературным вращающимся дисковым теплообменником, который содержит корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, включающий каркас, состоящий из горячего и холодного торцевых дисков и теплообменных ячеек с внутренним каналом, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый теплообменник выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам соответствующими радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе, причем теплообменник выполнен с возможностью дожигания изменчивых органических составов (volatile organic compounds VOCs), которые очень огнеопасны и вызывают несчастные случаи при нарушении техники безопасности, и могут запустить взрывы, и являются главным источником загрязнения воздуха (см. патент республики Кореи № KR 101324203 B1 (KR 20120124091 А), заявитель ENBION INC. (KR), МПК F23D 14/66, F23G 7/06, F23L 15/02, опубл. 13.11.2012).
Основным недостатком известной энергетической установки является то, что высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель выполнен с возможностью дожигания изменчивых органических составов, то есть имеет сложную конструкцию смешивания горячих и охлажденных газов с возможностью подачи к ним от внешнего источника нейтральных газообразных продуктов, что значительно усложняет эту конструкцию при незначительном снижении нагрузки на механические уплотнения ротора.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый теплообменник энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый теплообменник энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. патент РФ № RU 2005960, МПК F23L 15/02 заявитель Производственное объединение «ГАЗ» (Горьковский автомобильный завод (RU)), Конвенционный приоритет 26.05.1992 RU 92 5055034.
Основным недостатком известной конструкции является то, что для предотвращения деформации высокотемпературного вращающегося дискового теплообменника при его работе используются части каркаса с разной жесткостью и теплоемкостью, при этом авторы утверждают, что это должно привести к сближению температур холодного и горячего торцовых дисков. Это утверждение спорное, так как ступенчатая конструкция корпуса и коническая форма теплопередающих элементов не может гарантировать необходимый для выравнивания температур теплообмен от газа к воздуху через промежуточный твердый теплоноситель каркаса теплопередающих элементов, потому что его теплоемкость и интенсивность передачи не может гарантировать охлаждение газа и подогрев воздуха до одинаковой или близкой по значению температуры, потому что при этом постоянно падает разность температур (тепловой напор теплопередачи) соответственно между газом или воздухом и промежуточным твердым теплоносителем, а эффективность выравнивания их температур на торцевых дисках во времени динамически быстро снижается и соответственно невозможно избежать большой разности температур и изменения формы каркаса и вследствие этого приобретения им за счет тепловых деформаций грибообразной формы.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 1345015 дополнительное к а. с. СССР №580410, МПК F23L 15/02, авторы Л.Я. Еременко и В.И. Гришин, Заявитель ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я А-3513, опубл. 15.10.87).
Основным недостатком известного подогревателя энергетической установки является то, что компенсация деформации высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя при его работе происходит путем создания возможности адаптации разделительных рабочих уплотнений к грибообразной форме каркаса вращающегося дискового регенератора вследствие возможности изменения формы радиальных уплотнений разделителя потоков газа и воздуха, что является мало эффективным даже при попытке автоматической адаптации из-за постоянного неравномерного износа уплотнений и невозможности их постоянной адаптации к грибообразно деформированной в рабочем состоянии поверхности горячего и холодного дисков, так как температура отдельных участков поверхности и соответственно величина их деформации постоянно меняется.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 1476253 А2, МПК F23L 15/02, Заявитель ЦЕНТРАЛЬНОЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "РЕМСТРОЙПРОЕКТ", опубл. 30.04.89).
Основным недостатком известного подогревателя рабочего тела энергетической установки то что для компенсации деформации высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя при его работе создается возможность адаптации и уменьшения грибообразности формы каркаса вращающегося дискового регенеративного подогревателя и разделителя потоков газа и воздуха путем подогрева части каркаса саморазогреваемым каталитическим покрытием, что является мало эффективным из-за износа уплотнений и грибообразно деформированной в рабочем состоянии поверхности горячего и холодного дисков и износа каталитического покрытия.
Известен высокотемпературный вращающийся теплообменник энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый теплообменник энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячей части со входным и выходным газовым патрубком, входным и выходным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие каналы теплообменных ячеек (см. авторское свидетельство СССР № RU 2555624 С2, МПК F24H 3/02, Заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославская государственная сельскохозяйственная академия", опубл. 10.07.2015).
Основным недостатком известного теплообменника энергетической установки то, что для уменьшения искажения формы каркаса вращающегося дискового регенератора разделителя потоков газа и воздуха путем полного разделения воздушного и газового каналов созданы сложные по форме тракты движения воздуха и горячих газов, что приводит к усложнению конструкции высокотемпературного вращающегося теплообменника энергетической установки и средств организации принудительного газообмена.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 580410, МПК F23L 15/02, авторы изобретения В.И. Гришин, В.С. Назаренко, Т.С. Добряков, С.Я. Михайлов и Е.И. Носков, Заявитель ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я А-3513, опубл. 03.11.77).
Основным недостатком известного теплообменника является то, что для компенсации деформации высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя при его работе создается возможность адаптации разделительных рабочих уплотнений к грибообразной форме каркаса вращающегося дискового регенеративного подогревателя в части использования автоматической адаптации боковых уплотнений разделителя потоков газа и воздуха, что является мало эффективным из-за быстрого износа уплотнений и боковой поверхности каркаса, горячего и холодного дисков в их рабочем деформированном грибообразном состоянии.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 208162 А1, МПК F23L 15/02, заявитель Подольский машиностроительный завод им. Серго Орджоникидзе, опубл. 29.12.67).
Основным недостатком известного подогревателя является то, что для компенсации деформации высокотемпературного вращающегося дискового теплообменника при его работе создается «возможность» адаптации к грибообразной форме каркаса вращающегося дискового регенераторативного подогревателя, деформированного под воздействием неравномерного поля температур, путем использования адаптивного механизма управления разделительными рабочими радиальными уплотнениями разделителя потоков газа и воздуха, что является мало эффективным из-за постоянного износа уплотнений и поверхности горячего и холодного дисков в деформированном грибообразном рабочем состоянии вне зависимости от формы каркаса регенеративного подогревателя и уплотнений к нему из-за их постоянно изменяющейся температуры и соответственно постоянно меняющейся величины термической деформации.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный теплообменник энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый теплообменник энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. патент РФ № RU 2441188, МПК F28F 27/00, F28D 19/047, заявитель БАЛКЕ-ДЮРР ГМБХ (DE), опубл. 27.01.2012).
Основным недостатком известного теплообменника и компенсации его грибообразной деформации является то, что при работе высокотемпературного вращающегося дискового теплообменника осуществляется сложная последовательность действий и путем использования сложного механизма управления ими при попытке создания бесконтактного уплотнения и поддержания постоянного оптимального зазора в уплотнении при помощи управляемых по температуре сложных стержневых механизмов, расположенных по всем поверхностям уплотнений, что в условиях постоянно меняющегося из-за нагрева-охлаждения отдельных элементов каркаса вследствие постоянного изменения распределения температур по поверхности каркаса.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе теплообменника с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство на изобретение СССР № SU 613193 А1, МПК F28D 19/04, F23L 15/02, авторы Маркман Яков Абрамович, Геращенко Борис Авксентьевич, Бородянский Моисей Евсеевич, Ушаков Иван Кириллович, Вайнштейн Леонид Петрович, Заявитель ПРЕДПРИЯТИЕ П/Я А-3513, опубл. 27.10.2011.)
Основным недостатком известного подогревателя является, то что для компенсации грибообразной деформации высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки путем использования механизма, следящего за поддержанием заданных зазоров в уплотнениях при его работе, необходима сложная последовательность действий при попытке создания почти бесконтактного уплотнения и поддержания оптимального минимального зазора по всей длине уплотнений при помощи управляемых по температуре сложных заранее настраиваемых следящих механизмов, расположенных по всем поверхностям уплотнений, возникнут сложности по синхронному управлению ими, что не позволяет достичь оптимального минимального зазора по всей длине уплотнений из-за постоянного неравномерного износа плит уплотнений при грибообразном деформированном рабочем состоянии каркаса, также износа составляющих следящий механизм роликов и кулачков вследствие воздействия постоянно меняющегося поля температур и это соответственно приведет к неконтролируемому силовому контакту уплотнений, увеличению износа сопряженных поверхностей и нарушению работы уплотнений при тепловой деформации ротора.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. патент на изобретение РФ № RU 2432540, МПК F28D 17/00 заявитель БАЛКЕ-ДЮРР ГМБХ (DE), опубл. 27.10.2011.)
Основным недостатком известного подогревателя является то, что для компенсации деформации высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя при его работе используется сложная последовательность действий при попытке создания бесконтактного уплотнения и поддержания удаляемого расхода перетекающих составляющих перетоков воздушного и газового потоков через оптимальный зазор в уплотнении при помощи отсасывания воздуха и/или газа составляющих утечки, в зоне расположенных по всем поверхностям уплотнений, преимущественно в радиальном направлении, позволяющего стабилизировать распределение потоков воздуха и газа и их температур по поверхности каркаса, что должно уменьшить грибообразные деформации, но это не возможно, так как температуры поверхности каркаса подогревателя и уплотнений постоянно неравномерно меняются вследствие инерционности процесса теплообмена в изменяемом поле температур.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый подогреватель энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. патент на изобретение РФ № RU 2119127 С1, МПК F23L 15/02, F28D 19/04 заявитель Аппаратебау Ротемоле Брандт унд Критцлер ГмбХ (DE), опубл. 20.09.1998.)
Основным недостатком известного подогревателя является то, что для компенсации деформации высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя при его работе используется сложная последовательность действий и регулируемых уплотнений при попытке создания бесконтактного уплотнения и поддержания разделения воздушной и газовых полостей через оптимальный зазор в уплотнении при помощи потока разделительного газа, компенсирующего и предотвращающего перетечки воздуха и газа, при этом окружные и радиальные уплотнения образуют поверхности уплотнения, расположенные в общей плоскости и беззазорно переходящие друг в друга в местах стыка и с возможностью автоматического поддержания беззазорного контакта, и подачи запорного газа в зазоры уплотнений, позволяющих по мнению автора стабилизировать распределение температур и постоянство зазоров по поверхности каркаса, что в условиях термической грибообразной деформации каркаса в условиях постоянно меняющегося поля температур и нестационарного теплообмена приведет нарушению условий контакта и быстрому износу контактирующих поверхностей уплотнений и каркаса.
Известен высокотемпературный вращающийся регенеративный дисковый подогреватель энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем регенеративный дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 881517, МПК F28D 19/04, F23L 15/02, заявитель Горьковский автомобильный завод (Производственное объединение "ГАЗ"), опубл. 15.11.1981).
Основным недостатком известного подогревателя является то, что для компенсации деформации каркаса высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя при его работе и возникновении термических деформаций ротора, его грибообразное коробление устраняется по мнению заявителя строгой фиксацией ротора относительно корпуса посредством взаимодействия кольца с кольцевой канавкой через антифрикционные накладки. Таким образом по мнению заявителя устраняется перекос уплотняемых поверхностей ротора, что исключает раскрытие зазоров между этими поверхностями и уплотнениями и тем самым это уменьшает перетоки теплообменивающихся сред - воздуха и газа. Механическое выравнивание грибообразной формы теплопередающей поверхности каркаса ротора не может быть полностью компенсировано, например, вследствие наличия нерегулируемых технологических зазоров в соединениях, что приведет к перекосу и быстрому износу контактирующих поверхностей каркаса подогревателя, его уплотнений и соответственно нарушению работы уплотнений.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. авторское свидетельство СССР № SU 800579 А1, МПК F28D 19/00, F23L 15/02, заявитель Горьковский автомобильный завод (Производственное объединение "ГАЗ"), опубл. 30.01.1981).
По утверждению заявителя выполнение на горячей стороне каркаса поперечных каналов, сообщенных входными отверстиями с воздушным подводящим патрубком, а выходными - с воздушным отводящим патрубком позволяет обеспечить охлаждение торца каркаса на горячей стороне, уменьшить коробление каркаса за счет выравнивания температуры поверхности каркаса и повысить надежность работы регенератора. Но при этом заявитель не учитывает возможность грибообразного коробления всего жесткого каркаса, состоящего из монолитных шестигранных ячеек, в которых установлены теплопередающие элементы в виде конических вставок, которые постоянно поочередно омываются с одной стороны разогреваемым ими холодным воздухом, а с другой - горячими газами, вследствие чего термические грибообразные деформации каркаса под их воздействием не смогут полностью компенсироваться меньшими деформациями охлаждаемого горячего диска. Потому что этого недостаточно для устранения грибообразной формы каркаса и это не позволит полностью устранить термическую грибообразную деформацию каркаса подогревателя энергетической установки, потому что неравномерный разогрев жесткого каркаса по длине каждого канала теплообменных ячеек с постоянно меняющейся и разной на поверхности каркаса температурой с достижением разных температур на горячем и холодном их концах создаст разные величины радиального расширения элементов жесткого каркаса, что приведет к появлению грибообразной термической деформации жесткого каркаса и также приведет к быстрому износу уплотнений и контактирующих с ним поверхностей каркаса. Охлаждение горячего диска лишь частично может уменьшить грибообразность термической деформации жесткого каркаса.
Известен высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела малоразмерной газотурбинной энергетической установки, содержащий корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, содержащий каркас, состоящий из холодного и горячего торцевых дисков и теплообменных ячеек, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем дисковый подогреватель энергетической установки, выполненной в виде в малоразмерной газотурбинной энергетической установки, исполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска - с выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски и каналы теплообменных ячеек и разделены по горячему и холодному дискам радиальными и окружными уплотнениями, размещенными на корпусе (см. патент РФ № RU 2623133 С1, МПК F02C 7/08, заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (RU), опубл. 27.01.2012.)
По утверждению заявителя выполнение на горячей стороне каркаса и вокруг теплообменных ячеек поперечных охлаждающих каналов, сообщенных входными отверстиями с воздушным подводящим патрубком, а выходными - с воздушным отводящим патрубком позволяет обеспечить охлаждение торца каркаса на горячей стороне и каркаса с теплообменными ячейками, уменьшить коробление каркаса за счет выравнивания температуры поверхности диска и ячеек каркаса и повысить надежность работы регенератора. Но при этом заявитель не учитывает возможность грибообразного коробления всего жесткого каркаса, состоящего из монолитных шестигранных ячеек, в которых установлены теплопередающие элементы в виде вставок, которые постоянно омываются с одной стороны разогреваемым ими холодным воздухом, а с другой - горячими газами, а при этом теплообменные ячейки в виде теплопередающих пакетов жестко связаны со стенками каркаса и не имеют тепловой изоляции от охлаждающих каналов, вследствие чего термические деформации каркаса из-за его постоянного подогрева от теплообменных ячеек не смогут компенсироваться меньшими деформациями охлаждаемого горячего диска и внешних шестигранных стенок каждой из ячеек каркаса, а их охлаждение не сможет поддерживать каркас в недеформированном состоянии его цилиндрической формы, так как внешние стенки ячеек каркаса не теплоизолированы от их внутренних частей, то есть от стенок каналов с теплопередающими элементами в виде пакетов, и жестко механически с ними связаны, по этой причине реальное состояние и деформации каркаса определяются нагревом от тепла теплопередающих пакетов и их термического и механического деформационного воздействия на каркас и деформации каркаса из-за неравномерного реального распределения температур по несущим конструкциям каркаса, но при этом термическая деформация будет иметь более сложную форму.
Наиболее близким техническим решением является устройство вращающегося дискового регенератора, по патенту РФ № RU 2623133 С1, который наиболее близок предлагаемому изобретению по решаемой задаче и имеет при работе наибольшее число действий, совпадающих с действиями по предлагаемому изобретению.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение работоспособности каркаса ротора высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки путем предотвращения деформации его цилиндрической формы под воздействием постоянно действующего и изменяющегося поля температур теплообменных ячеек, воздействующего в условиях высоких температур на вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки, путем сохранения цилиндрической формы его несущей части каркаса высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя энергетической установки за счет стабилизации температурного поля несущих конструктивных элементов каркаса и устранения возможности его деформирующего воздействия на каркас при возвратно колебательном теплообмене в теплообменных ячейках за счет повышения постоянства температур несущих конструктивных элементов путем их термофизической теплоизоляции, то есть стабилизации поля температур и сохранения равномерности поля температур на шестигранных поверхностях несущих конструктивных элементов за счет устранения знакопеременного термического колебательного воздействия на несущие шестигранные части, как при изменении режимов работы энергетической установки, так и при циклическом нагреве и охлаждении теплообменных ячеек, путем сглаживания колебаний температуры за счет поглощения термоаккумулирующим веществом при его плавлении избытка тепла от горячего газа и отдачи холодному воздуху недостающего ему тепла термоаккумулирующим веществом при его застывании.
При реализации последовательности действий, соответствующей работе высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки решается поставленная техническая задача и достигаются следующие, описанные ниже технические результаты.
Техническая задача решается тем, что ниже описанные технические результаты реализуются при работе высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки в следующей последовательности действий, позволяющих предотвратить деформации цилиндрической формы высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, содержащего корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками и установленный в нем ротор, включающий каркас 1, состоящий из горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков и теплообменных ячеек 4 с внутренним каналом 5, установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки 4 в противотоке соответственно входного и выходного воздушных и входного и выходного газовых патрубков, причем высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска 2 со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска 3-е выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски 2 или 3 и каналы 5 теплообменных ячеек 4 и раздельны по горячему 2 и холодному 3 дискам соответствующими радиальными 6 и окружными 7 уплотнениями, размещенными на корпусе.
При этом радиальное уплотнение 6 обычно бывает размещено в диаметральной плоскости сечения соответствующего диска 2 или 3 между воздушным и газовым потоками, а окружное уплотнение 7 ротора - по окружному периметру соответствующего диска 2 или 3 и при этом радиальные 6 и окружные 7 уплотнения ротора установленные на корпусе, выполнены лабиринтными, потому что у каркаса во время работы на различных режимах и при возвратно колебательном режиме регенеративного теплообмена постоянно поддерживаются цилиндрическая форма внешней боковой поверхности каркаса и плоская форма поверхности торцевых дисков 2 или 3 высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки и величины зазоров в лабиринтных уплотнениях, что позволяет создать условия для бесконтактной работы лабиринтных уплотнений. При необходимости по периметру боковой поверхности ротора могут быть установлены дополнительные уплотнения, например, для разделения агрессивных сред и предотвращения их попадания во внутренние каналы каркаса ротора. Эти признаки почти полностью повторяют совокупность, свойства и достигаемые в прототипе при его работе известные технические результаты, заключающиеся в снижении утечек и перетечек и в выравнивании поля температур по поверхностям горячего 2 и холодного 3 дисков, что может снизить экстремальные значения термических деформаций и повысить равномерность их распределения по указанным поверхностям. Повышение качества работы высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя достигается эффективной работой уплотнений 6 и 7 и высоким качеством разделения потоков воздуха и газа. В первую очередь, вне зависимости от вида и конструкции уплотнений, качество их работы характеризуется стабильностью положения уплотнений относительно ротора и отсутствием изменения формы уплотнений 6 и 7 и сопряженных с ними поверхностей уплотнения торцевых дисков 2 и 3 в этом процессе, который определяется во время эксплуатации постоянством рабочего зазора между корпусом, уплотнениями и ротором, основной предпосылкой которого является постоянство формы ротора, которая не должна зависеть от изменения распределения поля температур по поверхности холодного 3 и горячего 2 торцевых дисков и теплового состояния каркаса 1 и теплообменных ячеек 4. Повышение стабильности и равномерности распределения поля температур по поверхностям горячего 2 и холодного 3 дисков, вследствие поддержания стабильной температуры поверхности теплообменных ячеек 4 и их торцевых поверхностей стаканов 10 и дисков 2 и 3, что повышает стабильность цилиндрической формы ротора вращающегося подогревателя, причем, радиальные 6 и окружные 7 уплотнения ротора на корпусе, выполнены лабиринтными, горячий 2 и холодный 3 торцевые диски выполнены из материалов, отношение коэффициентов линейного расширения которых обратно пропорциональным отношению приростов средних рабочих температур торцевых дисков 2 и 3, теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3 и выполнены в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 с внутренними поверхностями 12 каналов 5, в каждом из которых между указанными поверхностями выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре и подводе тепла изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, таким образом каждая теплообменная ячейка 4 выполнена с возможностью возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 с возможностью за счет отбора тепла на нагрев и плавление термоаккумулирующего вещества 14 от горячего рабочего газа и соответственно его охлаждения, а при остывании и застывании термоаккумулирующего вещества за счет отдачи тепла его застывания - подогрева холодного воздуха, при этом теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3 с возможностью крепления, по меньшей мере с одной точкой 8 жесткого крепления на каждом диске 2 или 3, а, по меньшей мере, каждые две точки 8 жесткого крепления стаканов на соседних дисках 2 и 3 расположены в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к оси вращения ротора плоскости сечения дисков 2 и 3, проходящей через ось симметрии каждого стакана 10 со стороны шестигранной поверхности 11, а зазор между стаканами 10 выбран из условия достижения возможности их свободного взаимного расширения при максимальной рабочей температуре.
Все ниже указанные технические результаты по сохранению и поддержанию постоянства цилиндрической формы каркаса высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, при его работе улучшаются под совместным действием ранее указанных факторов, термоаккумулирующего вещества и его температурно-стабилизирующего воздействия в теплообменных ячейках стаканов 10, которые выполнены с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5, в каждом из которых между указанными поверхностями выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре и подводе тепла изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, таким образом каждая теплообменная ячейка 4 выполнена с возможностью возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 с возможностью отбора тепла от рабочего газа термоаккумулирующим веществом за счет тепла плавления, и с возможностью подогрева холодного воздуха путем отдачи термоаккумулирующим веществом тепла застывания. Назовем этот процесс термофизической теплоизоляцией несущих частей каркаса 1.
Для уменьшения деформирующего воздействия перепадов температур на каркас и снижения величин его термических деформаций без необходимости создания сложных условий и конструкций для выравнивания и стабилизации поля температур по несущим элементам конструкции каркаса во время его работы обычно необходимо изменить конструкцию каркаса 1 и последовательность действий при его работе, приводящих к снижению деформаций и изменению цилиндрической формы каркаса. Это достигается в предложенной конструкции за счет использования следующих отличительных признаков предложенного высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки и получения взаимосвязанных с ними причинно-следственными связями технических результатов.
1. Радиальные 6 и окружные 7 уплотнения ротора на корпусе, выполнены лабиринтными, что позволяет уменьшить возможность перетечек воздуха и газа между воздушным и газовым контурами каркаса при противоточном движении воздуха и газа и устранить их отрицательного влияние на тепловое состояние каркаса.
2. Холодный 3 и горячий 2 торцевые диски выполнены из материалов отношение коэффициентов линейного расширения которых обратно пропорциональным отношению приростов средних рабочих температур дисков, что позволяет устранить взаимную неравномерность теплового расширения дисков под действием разных рабочих температур, таким образом при нагреве до рабочих температур и в условиях возвратно колебательного теплообмена, воздействие которого на торцевые диски не возможно устранить, уменьшается так называемая грибообразная деформация каркаса.
3. На торцевых дисках 2 и 3 и во внутреннем канале 5 каждой теплообменной ячейки 4 происходит возвратно колебательный теплообмен со знакопеременным термическим колебательным воздействием из-за попеременного взаимодействия с торцевыми дисками 2 и 3 и внутренними каналами 5 каждой теплообменной ячейки 4, то горячих газов, то холодного воздуха, которые невозможно устранить из-за свойств регенеративного процесса теплообмена. Но при этом уменьшается неравномерность деформации отдельных взаимно противолежащих частей торцевых дисков 2 и 3 под воздействием соответствующих входящих в каналы теплообменных ячеек 4 каркаса 1 соответственно попеременно то горячих газов, то холодного воздуха, в том числе до и после теплообмена, так как указанные в п. 2 свойства материалов дисков 2 и 3 уменьшают относительную деформацию их частей в условиях возвратно колебательного теплообмена, при которых начальные и конечные температуры поверхностей горячего 2 и холодного 3 дисков соответственно для нагреваемого воздушного потока и соответственно охлаждаемого газового потока, так как набегающий воздушный поток входит в ротор через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора, а выходит из него через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора в виде уходящего нагретого воздушного потока, а газовый поток входит в ротор через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора и выходит через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в виде уходящего охлажденного газового потока, так как перепады температур между горячими и холодными частями торцевых дисков 2 и 3, находящимися под воздействием соответственно охлаждаемого горячего потока газа и нагреваемого холодного воздушного потока будут соответствующим образом пропорциональны, таким образом и термические деформации указанных противолежащих частей торцевых дисков 2 и 3 будут пропорциональны, а общие величины линейных изменений размеров частей дисков 2 и 3 будут почти одинаковыми, что уменьшит общую грибообразность деформации всего каркаса 1, даже с учетом динамики теплообменного процесса.
4. Поддержание постоянства температуры (путем термического изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14) каждого стакана 10 позволяет повысить стабильность формы и размеров каждого из стаканов 10, холодного 3 и горячего 2 дисков и уменьшить их деформирующее влияние на термические деформации всего каркаса 1, так как несущие части с шестигранными поверхностями 11 теплообменных ячеек 4 будут находиться при относительно стабильной температуре.
5. Сохранение цилиндрической формы каркаса 1 путем сохранения постоянства размеров и формы его несущих основные механические нагрузки частей с шестигранными поверхностями 11 теплообменных ячеек 4 высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя энергетической установки за счет стабилизации температурного поля указанных несущих основную силовую нагрузку конструктивных элементов каркаса 1 и устранения возможности их деформирующего воздействия на каркас 1 при возвратно колебательном теплообмене в теплообменных ячейках 4 за счет повышения постоянства температур указанных несущих конструктивных элементов путем их термофизической теплоизоляции, то есть стабилизации поля температур и сохранения равномерности поля температур на частях с шестигранными поверхностями 11 несущих конструктивных элементов при возвратно колебательном теплообмене и изменении режимов работы энергетической установки за счет устранения знакопеременного термического колебательного воздействия на несущие силовые нагрузки части с шестигранными поверхностями 11 при нагреве и охлаждении теплообменных ячеек 4 путем сглаживания колебаний температуры вследствие поглощения термоаккумулирующим веществом 14 при его плавлении избытка тепла от горячего газа и отдачи холодному воздуху недостающего тому тепла термоаккумулирующим веществом 14 при его застывании.
6. Поддержание постоянства температур торцовых поверхностей стаканов 10 приведет к повышению стабильности рабочих температур дисков 2 и 3 путем оборотного возвратно колебательного перетекания тепла от перегретой или переохлажденной поверхности дисков 2 и 3 к термоаккумулирующему веществу 14 в полости стакана 10 и обратно. Для улучшения протекания этого процесса контактирующие торцовые поверхности стаканов 10 и дисков 2 и 3 могут быть соединены, например, пайкой теплопроводящим легко деформируемым материалом, такое выполнение предпочтительно при небольшом перепаде температур регенеративного процесса, или - теплоизолированы при большой разнице температур воздушного и газового потоков, то есть крепление стаканов 10 должно осуществляться в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конструкции каркаса 1 и условиями его работы.
7. На холодном 3 и горячем 2 дисках равномерность температурного поля и соответственно формы и линейных размеров дисков 2 и 3 будет поддерживаться автоматически за счет теплопередачи и попеременного нагрева - охлаждения соответствующих дисков от торцов стаканов 10 теплообменных ячеек 4 с учетом требований, предъявляемых к конструкции каркаса 1 и к условиям его работы.
8. При этом (см. п. 7) параллельное и синхронное изменение общих линейных размеров и поддержание формы и взаимных размеров оппозитно расположенных частей дисков 2 и 3 приведет к уменьшению изгибных деформаций стаканов 10, вследствие постоянства взаимного радиального расстояния их точек крепления от оси вращения на соответствующей части дисков 2 и 3;
9. Выполнение теплообменных ячеек 4 в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5 и установка их между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере с одной точкой жесткого крепления на каждом диске, а, по меньшей мере, расположение каждых двух точек жесткого крепления стаканов 10 на соседних дисках в диаметральной плоскости сечения их оснований стаканов 10, расположение этих точек в радиальной и/или тангенциальной к оси вращения ротора плоскости сечения дисков 2 или 3, проходящей через ось симметрии каждого стакана 10 со стороны шестигранной поверхности 11 позволяет снизить деформирующее влияние изменения линейных размеров стаканов 10 за счет теплопередачи и попеременного нагрева - охлаждения дисков и стаканов 10 теплообменных ячеек 4.
10. Выбор зазора между стаканами 10 из условия достижения возможности их свободного расширения при максимальной рабочей температуре позволяет исключить влияние неравномерного нагрева по длине канала 5 соответствующего неравномерного линейного в радиальном направлении расширения поверхностей 11 и 12 стенок каждого стакана 10, и исключить влияние из-за этого его грибообразной формы на форму каркаса 1 подогревателя.
11. В каждом из стаканов 10 между внешней шестигранной поверхностью 11 и поверхностью 12 внутреннего канала 5 выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре и при подводе тепла соответственного изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое и поглощения тепла плавления, а при отводе тепла - обратно и выделения тепла застывания, таким образом каждая теплообменная ячейка 4 выполнена с возможностью возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 с возможностью за счет тепла плавления отбора тепла от рабочего газа, а при застывании термоаккумулирующего вещества - отдачи тепла застывания для подогрева холодного воздуха, при этом теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3 с возможностью соответствующего крепления к ним. Такое выполнение теплообменных ячеек 4 позволяет повысить эффективность теплообмена, так как стабильная температура внутренней поверхности 12 канала 5 каждой теплообменной ячейки 4 позволяет увеличить разность температур между ней и газом или воздухом и повысить тепловой напор при теплопередаче. Кроме кристаллических и металлических материалов, имеющих узкий температурный интервал плавления - затвердевания возможно применение аморфных веществ с необходимым более широким интервалом температур плавления, соответствующим указанным выше требованиям интервалом температур изменения агрегатного состояния.
12. Кроме этого шестигранная форма внешней шестигранной поверхности 11 каждого стакана 10 позволяет повысить жесткость и устойчивость к формоизменяющей деформации каждой отдельной термоаккумулирующей теплообменной ячейки 4.
13. Внутренняя кольцеобразная полость 13 может быть заполнена термоаккумулирующим веществом 14 не полностью, то есть с возможностью его объемного расширения, это позволит сохранить форму внутренней поверхности 12 канала 5;
14. Выбор величины зазора между стаканами 10 производится из условия достижения возможности их свободного расширения при максимальной рабочей температуре и позволяет исключить влияние неравномерного нагрева по длине канала 5, соответствующего неравномерного линейного в радиальном направлении расширения стенок между поверхностями 11 и 12 каждого стакана 10, и исключить влияние появляющейся из-за этого его грибообразной формы, возникающей из-за разной температуры нагрева торцевых поверхностей стакана 10, на форму каркаса 1 подогревателя. При этом учитывается повышение стабильности температуры как шестигранной 11, так и внутренней 12 поверхности канала 5, их разница формы и размеров в холодном и рабочем состоянии.
15. Кроме этого из-за наличия в каждом из стаканов между шестигранной поверхностью 11 и внутренней поверхностью 12 канала 5 выполненной кольцеобразной полости 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре, при подводе тепла изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, то такое выполнение каждой теплообменной ячейки 4 с теплоаккумулирующим веществом 14 в кольцеобразной полости 13 позволяет стабилизировать температуру ячейки 4 и создать непреодолимое препятствие на пути возвратно-колебательного процесса перетока тепла, то есть при этом термоаккумулирующее вещество 14 выполняет функцию термофизической теплоизоляции шестигранной поверхности 11 от возвратно-колебательного процесса перетока тепла от внутренней поверхности 12 канала 5 в пределах возможности поглощения тепла при плавлении-застывании всего количества термоаккумулирующего вещества 14 в полости 13 или отдачи тепла при его застывании, за этими пределами процесса плавления-застывания очевидно будет происходить обычный процесс теплообмена путем контактной передачи тепла.
Рассмотрим эти признаки и возникающие при работе высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки технические результаты от совместного взаимного воздействия всех описываемых признаков на термическое формоизменение каркаса при его работе.
Путем регулирования расходов и температур потоков воздуха и газа, системой регулирования температур и расходов воздушного и газового потоков, используемой преимущественно в составе гибридных силовых установок для генерирования тепла и/или электрического тока, для условий обеспечения правильной работы высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя рабочего тела энергетической установки поддерживают близкие или с минимальным возможным перепадом температур потоки у выхода из горячего торцевого диска 2 каркаса 1 ротора уходящего нагретого воздушного потока и охлажденного газового потока, выходящего из ротора через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в зоне радиальных 6 и окружных 7 уплотнений ротора, установленных на корпусе и выполненных лабиринтными, так как это будет температура плавления - застывания термоаккумулирующего вещества и по этой причине самым эффективным будет процесс теплопередачи, при котором тепло, отданное горячим газом и полученное холодным воздухом при указанной конечной температуре или близкой к ней, не будет избыточным в горячем газе, тепловыделение при горении не будет избыточным, а тепломассообмен в энергетической установке будет оптимальным.
На горячем 2 и холодном 3 дисках равномерность температурного поля будет так же поддерживаться автоматически за счет теплопередачи и попеременного нагрева - охлаждения дисков в том числе и за счет возвратно колебательного теплообмена, то есть попеременно направленного теплоперетока с участием стаканов 10 теплообменных ячеек 4, но без учета эффекта термофизической теплоизоляции. По этой причине диски 2 и 3 могут быть выполнены с меньшей конструктивной прочностью и материалоемкостью. Это позволяет создать более равномерное поле температур по поверхностям горячего 2 и холодного 3 дисков, что является очевидным, так эти действия аналогичны конструктивным особенностям и известным действиям при работе прототипа и являются развитием указанных известных действий, потому что при близких температурах и теплофизических свойствах теплообменных ячеек 4 поглощенное и отданное обратно ими тепло должно создать условия для создания однородного поля близких температур на поверхности горячего 2 и 3 холодного дисков. Абсолютно одинаковых температур на указанных поверхностях быть не может из-за того, что теплопередача с необходимой интенсивностью идет только при достаточном перепаде температур между воздухом или газом и теплопередающим материалом каждой теплообменной ячейки 4. Получение такого постоянства поля температур на входе и выходе высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки вероятно вследствие возможности работы установки, например, такой как выполненной в виде микрогазотурбинной гибридной установки, в одном оптимальном выбранном режиме работы турбины и работы системы регулирования расходов и температур тепловых и массовых потоков и регулирования ею температур и расходов воздушного и газового потоков.
При этом следует отметить, что равномерность распределения температур по горячему 2 и холодному 3 дискам может быть правильно организована путем выбора теплофизических характеристик теплообменных ячеек 4 и времени теплообмена (контакта), чем выше их эффективность, тем ближе будут начальные и конечные температуры поверхностей горячего 2 и холодного 3 дисков соответственно для нагреваемого воздушного потока и соответственно охлаждаемого газового потока, так как набегающий воздушный поток входит в ротор через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора, а выходит из него через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора в виде уходящего нагретого воздушного потока, а газовый поток входит в ротор через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора и выходит через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в виде уходящего охлажденного газового потока, чем больше тепла эти потоки отдают и получают от теплопередающих ячеек, тем ближе будут температуры воздуха и газа в частях потоков, проходящих через горячий 2 и холодный 3 торцевые диски каркаса 1.
Выполнение теплообменных ячеек 4 в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними 12 поверхностями каналов 5, в каждом из которых между внешней шестигранной поверхностью 11 и внутренней поверхностью 12 канала 5 выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, которое при рабочей температуре и подводе тепла имеет возможность изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла -обратно, то есть термоаккумулирующее вещество 14 обеспечивает возможность возвратно колебательного теплообмена, который осуществляется за счет тепла плавления или застывания термоаккумулирующего вещества 14, таким образом осуществляется возвратный колебательный теплообмен за счет тепла плавления или застывания термоаккумулирующего вещества 14 с точкой плавления при нагреве и затвердевания при остывании или другого изменения агрегатного состояния, например, аморфного термоаккумулирующего вещества 14 в диапазоне рабочих температур высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, что позволяет поддерживать максимально возможный перепад между газом или воздухом и внутренней поверхностью 12 каналов 5 в стаканах 10 теплообменных теплоаккумулирующих ячеек 4, так как ее температура не может стремительно подниматься из-за постоянного теплоотвода или тепло подвода с участием изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14. Это явление также повышает эффективность и скорость (то есть затраты времени на передачу единицы теплоты) теплообмена в обоих направлениях теплопередачи, как от охлаждаемого газа к каждой теплоаккумулирующей ячейки 4, так и к нагреваемому воздуху от теплоаккумулирующей ячейки 4. Кроме кристаллических и металлических материалов, имеющих узкий температурный интервал плавления -затвердевания возможно применение аморфных веществ с необходимым соответствующим указанным выше требованиям интервалом температур изменения агрегатного состояния. При этом следует отметить, что процесс плавления аморфного вещества имеет переменную температуру, что позволяет в начальный период цикла получить больший перепад температур на поверхности теплообмена с воздухом и рабочим газом, так как температура в начале плавления ниже, а при застывании - выше средней температуры указанного цикла теплообмена, что позволяет повысить интенсивность и скорость теплообмена на начальной стадии каждой однонаправленной части теплообмена цикла, путем увеличения перепада температур.
При этом следует отметить, что температура плавления-застывания или другого изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 подбирается из тех соображений по ее выбору, которые определяют наибольший перепад температур на внутренней поверхности 12 канала 5 с учетом термического сопротивления внутренней стенки канала 5 каждого стакана 10 в указанных выше процессах, что должно повысить интенсивность теплопередачи и ее ускорение по времени.
Кроме этого внешняя шестигранная форма поверхности 11 каждого стакана 10 позволяет повысить жесткость и устойчивость к формоизменяющей деформации каждой теплоаккумулирующей теплообменной ячейки 4.
Внутренняя кольцеобразная полость 13 может быть заполнена термоаккумулирующим веществом 14 не полностью, то есть с возможностью его свободного объемного расширения и сохранения формы внутренней поверхности 12 канала 5.
Форма полости может быть выбрана, основываясь на различных требованиях к ней:
- во-первых это может определяться технологией изготовления теплообменных ячеек 4, например, в зависимости от массовости их изготовления это может быть штамповка при большой серии, тонкостенное точное литье при средней серии или точение при малой ее серии.
- во-вторых - материалом, который определяет технологию изготовления и последующую работу, так, например, алюминий, легок, дешев и технологичен при изготовлении, но не долговечен из-за своей малой прочности и низкой коррозионной стойкости при знакопеременных термомеханических воздействиях нагрева - охлаждения как от холодного воздуха и так в условиях воздействия горячих химически агрессивных выхлопных газов газовой турбины, а сталь - менее технологична, но более тяжела, прочна и стойка к указанным воздействиям и т.д.
- в-третьих - последовательностью и технологичностью сборки и последующей работы, так, например, выполнением замкнутой полости для термоаккумулирующего вещества, путем крепления каждой теплообменной ячейки 4 к дискам 2 и 3 в виде отдельных элементов, закрывающих выходные технологические отверстия полости 13, или их выполнение заодно с одним из дисков и т.д.
При этом термоаккумулирующее вещество 14 в каждой теплообменной ячейке 4 позволяет поддерживать температуру внутренней поверхности 12 канала 5 практически постоянной для каждой теплообменной ячейки 4, так как очевидно, что с учетом создания необходимого перепада температур путем создания достаточного температурного напора при подводе-отводе тепла для изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 повышается интенсивность и скорость теплообмена. Чем тоньше будет стенка между кольцеобразной полостью 13 внутренней поверхностью 12 канала 5, тем меньше будет потребный температурный напор. Жесткость стакана 10 должна при этом поддерживаться необходимыми расчетными прочностью, жесткостью и устойчивостью внешней формы шестигранной поверхности 11 и торцевых поверхностей каждого стакана 10, которые в меньшей степени участвуют в переменном по направлению движения теплопотока в возвратно колебательном теплообмене.
Чем выше равномерность распределения температур воздуха и газа по дискам 2 и 3, тем меньше неравномерность линейных, вдоль осей каналов стаканов изменения их длины, и меньше разность радиального удлинения дисков 2 и 3, вызывающая изгибные грибообразные деформации частей каркаса 1 и дисков 2 и 3, возникающая вследствие неравномерного нагрева на газовой и воздушной частях подогревателя. И соответственно можно поддерживать меньший зазор в лабиринтных уплотнениях и уменьшить перетечки между воздушным и газовым потоками.
При этом маленькую неравномерность размеров указанных частей каркаса 1 подогревателя дополнительно можно компенсировать изменением и/или адаптацией формы поверхности лабиринтных уплотнений 6 и 7, сделав их упруго деформируемыми, например, выполнив их из силикона с термостойким и износостойким покрытием из силицированного пирографита.
Выполнение горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков из материалов, отношение коэффициентов линейного расширения материалов которых обратно пропорционально отношению приростов средних рабочих температур дисков 2 и 3. Такое выполнение дисков 2 и 3 позволяет достичь расчетным или опытным путем минимизации отклонений от цилиндрической формы каркаса 1 высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки в его рабочем состоянии в условиях постоянного изменения температур поверхностей дисков во время возвратно колебательного теплообмена, а как уже указывалось, что на горячем 2 и холодном 3 дисках равномерность температурного поля будет так же поддерживаться автоматически за счет теплопередачи и попеременного нагрева - охлаждения дисков в том числе и за счет возвратно колебательного теплообмена, попеременно направленного теплоперетока с участием термостабилизирующего воздействия термоаккумулирующего вещества 14 в стаканах 10 теплообменных ячеек 4. Синхронные термические деформации частей дисков 2 и 3, находящихся под воздействием переменных по температуре газового и воздушного потоков не могут привести к чрезмерным внутренним напряжениям в дисках, та как они будут изменять свои размеры пропорционально температуре на их поверхности, то есть части дисков, находящиеся под воздействием горячего газа будут немного больше холодных частей, находящихся под действием холодного воздуха, но общая овализованная цилиндричность дисков 2 и 3 не нарушит общую работоспособность каркаса, так как при расчете и изготовлении дисков 2 и 3 - каркаса 1 радиальные зазоры между ним и корпусом обязательно должны выбираться заведомо больше возможных рабочих термических деформаций каркаса 1. По этой причине диски могут быть выполнены с меньшей конструктивной прочностью и материалоемкостью. При этом следует отметить, что плоско параллельность частей дисков, к которым примыкают радиальные и окружные уплотнения, установленные на корпусе, будет в пределах конструктивных рабочих зазоров, что не позволит нарушить их работоспособность, так как почти равное радиальное изменение размеров дисков 2 и 3 путем ранее указанного выбора коэффициентов их линейного удлинения должно обеспечивать в возвратно колебательном теплообмене цилиндрическую форму каркаса 1 при изменении температур, то есть устранение или уменьшение возможности грибообразной деформации каркаса 1.
При этом теплообменные ячейки выполняют в виде стаканов с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5 и устанавливают между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере, с одной точкой 8 жесткого крепления на каждом диске 2 или 3, каждые две точки 8 жесткого крепления стаканов 10 на соседних дисках 2 и 3 располагают в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к ней плоскости сечения дисков 2 и 3, проходящей через ось симметрии каждого стакана 10, а зазор между стаканами 10 выбирают с возможностью их свободного взаимного расширения при максимальной рабочей температуре. Эти признаки позволяют при одинаковых (как в аналогах и прототипе) температурах на поверхностях горячего 2 и холодного 3 дисков получить одинаковое линейное расширение горячего диска 2 при высокой рабочей температуре за счет малого коэффициента линейного расширения его материала и относительно большое линейное расширение холодного диска 3 с более высоким коэффициентом линейного расширения материала, что при правильном выборе коэффициентов линейного расширения материалов холодного 3 и горячего 2 торцевых дисков обратно пропорциональным отношению приросту средних рабочих температур дисков приведет к тому, что их абсолютные линейные увеличения размеров при расчетных или выбранных рабочих температурах будут практически одинаковыми, а общие грибообразные деформации каркаса 1 будут минимальными. Приростом средних рабочих температур дисков выбирают разности соответствующих абсолютных рабочих температур за вычетом абсолютной начальной температуры нерабочего исходного состояния каркаса 1. Кроме ранее указанных свойств такие признаки позволяют достичь минимальных тангенциальных деформаций и радиальных смещений теплообменных ячеек 4 относительно дисков 2 и 3 при периодически меняющемся поле температур, что должно повысить вследствие этого, их устойчивость и работоспособность в рабочем диапазоне температур, а стабильный прямой и обратный переток тепла от каждого диска 2 или 3 к каждой теплообменной ячейке 4 и обратно при возвратно колебательном теплообмене позволяет повысить стабильность усредненного температурного поля каждого диска. Для этого можно улучшить тепловой контакт торцевых поверхностей стаканов 10 и дисков 2 и 3, например, путем соединения их пайкой легко деформирующимся пластичным припоем. Это справедливо для относительно небольшого перепада температур меду горячим газом и холодным воздухом.
Если теплообменные ячейки выполняют в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5 и устанавливают их между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере с одной точкой 8 жесткого крепления на каждом диске 2 или 3, а, по меньшей мере, каждые две точки 8 жесткого крепления стаканов 10 на соседних дисках 2 и 3 располагают в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к ней плоскости сечения соответствующего из дисков 2 или 3, проходящей через ось симметрии каждого стакана 10, то этим достигается устранение воздействие взаимных тепловых деформаций ячеек 4 на торцевые диски 2 и 3 при весьма значительном перепаде температур по длине каждой ячейки 4, так как торцевые поверхности стаканов 10, соприкасающиеся с соответствующим диском 2 или 3 имеют возможность свободного линейного расширения и это не вызывает грибообразную деформацию указанных дисков. Расположение точек 8 жесткого крепления стаканов 10 теплообменных ячеек 4 на соседних дисках 2 или 3 со стороны шестигранной поверхности 11 в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной плоскости сечения дисков 2 или 3, то есть в плоскости, проходящей через ось их вращения в радиальном направлении, позволяет достичь минимального перепада температур между указанными точками, так как эти точки одновременно начинают подвергаться воздействию соответствующего потока воздуха или газа и будут находиться в близких температурных условиях в течение всего процесса периодического возвратно колебательного теплообмена даже если они будут находиться на одном диске.
Расположение точек жесткого крепления 8 стаканов 10 теплообменных ячеек 4 на соседних дисках 2 и 3 в зоне цилиндрической поверхности стаканов позволяет снизить термические деформации стаканов 10, так как их температура поддерживается постоянной за счет изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 в кольцеобразной полости 13 каждого стакана 10, а соответствующие противолежащие части дисков 2 и 3 при этом могут синхронно изменять свои размеры при воздействии горячего газа или холодного воздуха.
Не равное удлинение и овализация частей дисков 2 и 3, находящихся под воздействием горячего газа или холодного воздуха, имеет возможность компенсации синхронного смещения стаканов 10 теплообменных ячеек 4 за счет их двухточечного крепления к дискам 2 и 3. При этом возникновение усталостных трещин не будет опасным вследствие малых деформаций этих креплений, так как оппозитно и параллельно расположенные части дисков 2 и 3, находящихся под воздействием соответственно горячего газа или холодного воздуха, будут синхронно удлиняться на почти равные величины, а их деформации будут вызываться только неравномерностью поля их температур, которая будет незначительной.
Расположение точек 8 жесткого крепления стаканов 10 теплообменных ячеек 4 на соседних дисках 2 или 3 в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в тангенциальной к радиальной плоскости сечения дисков 2 и 3, позволяет достичь заданного перепада температур между указанными точками, так как эти точки расположены в близких или одинаковы условиях воздействия соответствующего потока воздуха или газа для выбранной внутренней поверхности 12 канала 5 каждой теплообменной ячейки 4 и будут находиться в близких по перепаду температур температурных условиях в течение всего процесса теплообмена, потому что часть потока воздуха или газа, находящаяся в указанном канале 5 теплообменной ячейки 4 будет иметь практически одинаковое распределение температур по длине канала 5, вследствие чего деформации формы каждой ячейки 4 в отдельности и всех ячеек 4 вместе не приведут к изменению формы каркаса 1, а вызовут лишь соответствующий поворот в тангенциальном направлении точек 8 жесткого крепления на одном торцевом диске относительно другого. Деформации взаимного положения дисков 2 и 3 из-за изменения длины теплообменных ячеек 4 будут не значительны, так как градиент распределения температур по длине стаканов 10 не будет менять знак, а средняя температура шестигранной поверхности 11 стаканов 10 каркаса 1 и соответственно его массивной части, примыкающей к шестигранной поверхности 11 стакана 10 за цикл будет меняться незначительно, а перепады температуры на рабочей внутренней поверхности 12 каналов 5 стаканов 10 будут приводить к прямой () или обратной) (бочкообразной форме изменения их стенок, что при достаточной массе стакана будет незначительно влиять на его рабочую длину.
Изменение объема при изменении агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 в кольцеобразной полости 13 стакана 10 может быть компенсировано за счет деформации тонкой цилиндрической стенки 12, примыкающей к поверхности 12 внутреннего канала 5 в стакане 10 путем придания ей прямой () или обратной) (бочкообразной формы изменения их цилиндрических стенок. При этом наибольшая бочкообразность может создаваться на наиболее тонкой части внутренней цилиндрической стенки, примыкающей к поверхности 12 канала 5.
При этом движение потоков воздуха и газов с близкими температурами в зоне радиальных 6 и окружных 7 уплотнений ротора, установленных на корпусе вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, и выполнение этих уплотнений лабиринтными, при указанных выше условиях позволяет достичь минимального зазора и высокой эффективного бесконтактного уплотнения вследствие минимизации грибообразной деформации каркаса 1 и поддержания цилиндрической формы при возвратно колебательном теплообмене.
Выполнение зазоров между шестигранными стенками 11 стаканов 10 каркаса 1 вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, которые выбирают из условия возможности обеспечения свободного взаимного радиального расширения от оси симметрии каждого стакана 10 относительно других при его максимальной рабочей температуре без возможности их взаимного контакта и соответственно без появления возможности контактной деформации, такое выполнение исключит деформации от неравномерного нагрева поверхностей дисков 2 и 3 и массивной части стаканов 10.
Предложение поясняется чертежами, на которых показаны:
На Фиг. 1 показан частичный разрез каркаса высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки по близко расположенным теплообменным ячейкам;
На Фиг. 2 показан в изометрии схематический вид каркаса высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки с комплексом уплотнений и частичным разрезом;
На Фиг. 3 частично показана схема энергетической установки с горелочным устройством и с размещенным в нем высокотемпературным вращающимся дисковым регенеративным подогревателем рабочего тела энергетической установки, предназначенным для подогрева воздуха и испарения жидкого топлива;
На Фиг. 4 показана схема микротурбинной гибридной силовой установки для генерирования электрического тока и приблизительное распределение температур воздушного и газового потоков в ней по регенеративному подогревателю рабочего тела.
На фиг. 1 и 2 показана принципиальная конструкция каркаса вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, безотносительно конструктивных особенностей ее выполнения и компоновки энергетической установки.
Высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки содержит корпус с входным и выходным воздушными патрубками и с входным и выходным газовыми патрубками (см. Фиг. 3) и размещенный в нем ротор, включающий (см. Фиг. 1 и 2) каркас 1, состоящий из горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков и теплообменных ячеек 4 с внутренними каналами 5, и установленный в корпусе подогревателя с возможностью вращения и попеременного сообщения через его теплообменные ячейки 4 в противотоке соответственно входного и выходного воздушных (поток воздуха условно показан белой стрелкой) и входного и выходного газовых патрубков (поток газа условно показан зачерненной стрелкой) корпуса, причем высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки выполнен с возможностью сообщения в противотоке соответственно со стороны горячего диска 2 со входным газовым патрубком и выходным воздушным патрубком, а со стороны холодного диска 3-е выходным газовым и входным воздушным патрубком, причем газовые и воздушные патрубки корпуса сообщены между собой через соответствующие диски 2 и 3 и каналы 5 теплообменных ячеек 4 и разделены по горячему 2 и холодному 3 дискам соответствующими радиальными 6 и окружными 7 уплотнениямии, размещенными на корпусе (условно не показан), причем радиальные 6 и окружные 7 уплотнения ротора размещены на корпусе и выполнены лабиринтными. Горячий 2 и холодный 3 торцевые диски выполнены из материалов, отношение коэффициентов линейного расширения которых выполнено обратно пропорциональным отношению приростов средних рабочих температур соответствующих торцевых дисков 2 и 3. Под приростом температуры надо понимать разность между соответствующей рабочей температурой каждого диска и выбранной начальной температурой холодного состояния, например, такой как комнатная температура, которая обычно принимается равной 20°С. Теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3 и выполнены в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5, в каждом из которых между поверхностями указаных частей выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, при рабочей температуре и подводе тепла меняющее свое агрегатное состояние с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, таким образом каждая теплообменная ячейка 4 выполнена с возможностью возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества с возможностью путем отбора тепла от горячего рабочего газа термоаккумулирующим веществом 14 за счет тепла его плавления, и путем отдачи тепла застывания термоаккумулирующего вещества - подогрева им холодного воздуха.
При этом теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере с одной точкой 8 жесткого крепления на каждом диске 2 и 3, а, по меньшей мере, каждые две точки 8 жесткого крепления стаканов 10 на соседних дисках 2 и 3 расположены в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к ней плоскости сечения дисков 2 и 3, проходящей через ось симметрии каждого стакана 10, а зазор 9 между шестигранными поверхностями 11 смежных стаканов 10 теплообменных ячеек 4 выбран из условия достижения возможности их свободного взаимного расширения при максимальной рабочей температуре.
Теплообменные ячейки 4 выполнены в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5, в каждом из которых между указанными поверхностями выполнена кольцеобразная полость 13, которая заполнена термоаккумулирующим веществом 14, которое при рабочем диапазоне температур и подводе тепла способно менять свое агрегатное состояние с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, то есть термоаккумулирующее вещество обеспечивает возможность возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества с возможностью путем передачи в прямом порядке тепла от рабочего газа в теплообменные ячейки за счет отбора тепла его плавления термоаккумулирующим веществом 14, и в обратном порядке - путем отдачи термоаккумулирующим веществом 14 тепла его застывания - для подогрева холодного воздуха, то есть возвратно колебательный процесс теплообмена, при котором термоаккумулирование происходит за счет отбора тепла его плавления от горячего газа, а возврат холодному воздуху термоаккумилированного тепла - путем отдачи тепла застывания или другого изменения агрегатного состояния, например, из кристаллического и/или аморфного в жидкое.
Термин «кольцеобразная полость» подразумевает в наиболее простом случае выполнение замкнутой полости с поверхностями в виде прямого круглого цилиндра со стороны единичного внутреннего канала и прямого шестигранного цилиндра с внешней стороны каждого стакана, то есть цилиндра общего вида с прямолинейной образующей и шестигранной направляющей, в том числе и со скругленными углами, сопряженными между собой любыми из известных поверхностей, например, плоскими или половинками торообразных. В общем случае форма кольцеобразной полости 13 может быть и любой другой, определяемой технологическими возможностями производства, например, с нескольким внутренними каналами 5 в каждом стакане. В общем случае термин «кольцеобразная полость» подразумевает только то, что она расположена вокруг каждого внутреннего канала 5 и ограничена с внешней стороны стенкой, примыкающей к шестигранной поверхности 11 соответствующего стакана 10, а с внутренней стороны стенкой с внутренней поверхностью 12 канала 5.
На Фиг. 1 показаны стаканы 10 теплообменных ячеек 4, которые жестко закреплены на дисках 2 и 3 в точках жесткого крепления 8 с возможностью образования между внешними сопряженными шестигранными поверхностями 11 стаканов 10 зазоров 9, которые в свою очередь выбираются из условия свободного радиального взаимного (возможно симметричного) расширения стаканов 10 от их осей (показаны условно штрих-пунктирными линиями), так как реальная величина смещения каждого стакана 10 относительно оси зависит от мест жесткого крепления соответствующего стакана 10. Так, например, при радиальном попарном жестком креплении стакана 10 к каждому диску 2 или 3 из-за разницы местных температур и коэффициентов теплового расширения стаканов 10 и дисков 2 или 3 будет происходить овализация формы стакана 10 и местная деформация с изменением формы каналов 5, а диски 2 и 3 свою общую форму изменят незначительно, потому что при достаточной длине стакана 10 в каркасе 1 он под действием не одинаковых температур от воздействия горячего газа и холодного воздуха синхронного формоизменения дисков по типу овализации и каждого отдельного стакана 10 теплообменной ячейки 4, то есть отдельный стакан 10 может слегка изогнуться, не значительно влияя на цилиндрическую форму всего каркаса 1. Расположение, по меньшей мере, двух точек жесткого крепления стаканов теплообменных ячеек 4 на соседних дисках 2 и 3 в диаметральной плоскости сечения оснований стаканов 10 теплообменных ячеек 4, расположенной в тангенциальной к ней плоскости сечения дисков 2 и 3, т.е. в плоскости перпендикулярной радиальной плоскости сечения, позволяет достичь минимального перепада температур между указанными точками, так как эти точки расположены в близких или одинаковы условиях воздействия воздуха или газа для выбранной рабочей внутренней поверхности 12 канала 5 каждой теплообменной ячейки 4 и будут находиться в относительно близких температурных условиях в течение всего процесса теплообмена, потому что часть потока воздуха или газа, находящаяся в указанном канале 5 стакана 10 теплообменной ячейки 4 будет иметь практически одинаковое распределение температур по длине ее внутреннего канала 5, вследствие чего термические деформации как в целом линейных размеров каркаса 1, так и формы каждой ячейки 4 в отдельности и всех ячеек вместе не приведут к изменению цилиндрической формы каркаса 1, а вызовут лишь при условии центрально симметричного их расположения относительно оси вращения каркаса 1 соответствующий поворот одного торцевого диска относительно другого или если средняя температура шестигранной поверхности 11 стаканов 10 теплообменных ячеек 4 каркаса 1 из-за массивности теплообменной части стаканов 10, стабилизации температуры их теплообмена путем плавления термоаккумулирующего вещества 14 и ограниченного времени цикла теплообмена будет меняться незначительно, а перепады температуры на рабочей внутренней поверхности 12 канала 5 и шестигранной поверхности 11 стаканов 10 будут приводить к прямой ( ) или обратной) (бочкообразной форме деформации стенки, примыкающей к внутренней поверхности 12 каналов 5, что при достаточной массе стакана 10 будет незначительно влиять на его рабочую длину. При попарно встречном расположении точек жесткого крепления стаканов, поворота не будет, а возможна лишь ранее указанная небольшая деформация стаканов 10. Наибольшая бочкообразность может создаваться на возможно наиболее тонкой стенке внутренней поверхности 12 цилиндрической стенки канала 5, так как она имеет достаточную гибкость, наименьшую жесткость и малое сопротивление к изменению формы.
Очевидно, что в каждом стакане 10 теплообменной ячейки 4 внутренних каналов 5 может быть несколько, это определяется только требуемой интенсивностью теплообмена, которая в первую очередь определяется суммарной требуемой площадью теплообмена, то есть суммарной площадью внутренней поверхности 12 внутренних каналов 5 каждой теплообменной ячейки 4.
На Фиг. 2 на виде со стороны горячего диска 2 условно показаны зачерненной стрелкой поток газа, а белой стрелкой поток воздуха.
Очевидно, что указанный высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки может быть использован во множестве вариантов в различных конструкциях энергетических установок, в том числе в качестве подогревателя для подогрева любого рабочего тела, такого как воздух, жидкое или газообразное топливо, например, в наиболее предпочтительной конструкциях горелок, при этом он может быть там же также использован как испаритель жидкого топлива энергетической установки и т.п. При этом технические результаты высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки будут определять его соответствующие свойства и положительные качества для каждого агрегата используемого вида энергетических установок, такие как высокая теплопередача и теплоотдача возвратно колебательного теплообмена от тепла плавления - застывания термоаккумулирующего вещества 14, ускорение указанного процесса из-за увеличенного перепада температур при теплообмене с термоаккумулирующим веществом 14 соответственно горячего газа или холодного воздуха, возникающего вследствие относительного постоянства температуры каждой внутренней поверхности 12 каждого канала 5 теплообменных ячеек 4, поддерживаемой изменением агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14, увеличенный срок службы каркаса 1 вследствие уменьшения термических деформаций несущих конструкций каркаса 1, за счет повышения постоянства температур указанных несущих конструктивных элементов путем их термофизической теплоизоляции, то есть стабилизации поля температур и сохранения равномерности поля температур на частях, то есть на внешних шестигранных поверхностях 11 стенок стаканов 10 теплообменных ячеек 4, несущих основную силовую нагрузку, примыкающих к шестигранным поверхностям 11 других несущих силовые нагрузки конструктивных элементов, например, торцевых дисков 2 и 3 при возвратно колебательном теплообмене и изменении режимов работы энергетической установки за счет устранения знакопеременного термического колебательного воздействия на несущие силовые нагрузки части стаканов 10 с шестигранными поверхностями 11 при нагреве и охлаждении теплообменных ячеек 4 путем сглаживания колебаний температуры вследствие поглощения термоаккумулирующим веществом 14 при его плавлении избытка тепла от горячего газа и отдачи холодному воздуху недостающего тому тепла термоаккумулирующим веществом 14 при его застывании.
На фиг. 3 показана конструкция высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки из предпочтительной области использования в составе горелочного устройства, определяемой указанными выше свойствами и техническими результатами, достигаемыми при использовании предложенного регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, например, в виде частично представленной схемы установки с горелочным устройством и с размещенным в нем высокотемпературным вращающимся дисковым регенеративным подогревателем рабочего тела энергетической установки, предназначенным для подогрева дополнительного воздуха, испарения жидкого и/или подогрева газообразного топлива. Технические результаты и данная преимущественная область использования при этом будут определяться ранее указанными свойствами и достигаемыми регенеративным подогревателем рабочего тела техническими преимуществами, заключающимися в повышенной надежности, определяемой поддержанием формы каркаса регенеративного подогревателя при изменяющихся режимах работы установки и тепловой нагрузки на него и в его высоких удельных показателях, таких как теплоотдача на единицу объема или массы каркаса вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, так как величина передачи тепла возвратно колебательного теплообмена и интенсивность теплопередачи в отдельной теплообменной ячейке при изменении агрегатного состояния вещества возвратно колебательного теплообмена намного выше, чем теплопередача нагрева - охлаждения твердого материала в теплообменной ячейке той же массы.
Горелочное устройство 17 (см. фиг. 3) включает патрубок подвода первичного воздуха (на фиг. 3 условно не показан), патрубок 15 подвода холодного дополнительного воздуха с холодной стороны 18 регенеративного подогревателя рабочего тела его вход в теплообменные ячейки 4 со стороны холодного диска 3 каркаса 1 высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, внутри которого воздух подогревается от тепла теплообменных ячеек 4, при этом также может испаряться и подогреваться жидкое и/или газообразное топливо, которое в виде паров смешивается с дополнительным воздухом, выходит со стороны горячего диска 2 и через патрубок 16 подачи горячего дополнительного воздуха поступает в горелочное устройство 17, смешивается с первичным воздухом, воспламеняется, и с горячей стороны 19 поступает вновь через горячий диск 2 в теплообменные ячейки 4, нагревая их и снижая температуру рабочего тела перед основным распылителем топлива (показан условно пунктиром) горел очного устройства 17, что позволяет эффективно испарить жидкое и/или подогреть газообразное топливо и создать оптимальные условия для смешивания первичного воздуха и основного топлива, воспламенения и сгорания основной порции топливо-воздушной смеси. Регулирование расхода дополнительного воздуха и дополнительного количества топлива позволяет достичь оптимальных условий для испарения жидкой части топлива и/или подогрева газообразного (или газифицированного жидкого) топлива и последующего подогрева первичного воздуха вместе с порцией основного топлива во всем диапазоне расходов первичного воздуха. Средства указанного регулирования расходов дополнительного воздуха, дополнительного топлива, а также их соотношение с расходом первичного воздуха и величиной порции основного топлива общеизвестны, очень разнообразны, и по этой причине не могут быть целесообразно и подробно рассмотрены в объеме данного предлагаемого изобретения.
Такое предпочтительное использование, то есть в теплоэнергетической установке внутри ее горелки, выполненной с высокотемпературным вращающимся дисковым регенеративным подогревателем рабочего тела, обусловлено свойствами, присущими предложенной конструкции подогревателя и основано на таких его свойствах, как саморегулируемость теплообмена, высокие надежность, работоспособность, повышенные удельные показатели тепловой отдачи теплообменных ячеек и ускоренный теплообмен в них.
Так как в горелку трудно и не целесообразно встраивать средства регулирования системы управления подачей дополнительного воздуха и изменяющихся условий горения дополнительной порции топлива с целью дополнительного выравнивания поля температур на дисках каркаса ротора подогревателя, применяемого для предварительного подогрева первичного воздуха, так как этот процесс не требует особо точного регулирования, то будет достаточно саморегулирования процесса, достигаемого путем поддержания стабильной температуры дополнительного воздуха и дополнительной порции топлива на стадии их сгорания при изменении их расходов, путем использования большой теплопоглощающей способности термоаккумулирующего вещества. Конструкция же подогревателя должна быть при этом компактной, надежной и работоспособной в широком диапазоне расходов дополнительного воздуха и топлива. Все эти свойства и связанные с ними достигаемые технические результаты присущи предложенной конструкции каркаса высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки.
В каждом из стаканов между внешней шестигранной поверхностью и поверхностью внутреннего канала выполнена кольцеобразная полость, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре, при подводе тепла изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, таким образом каждая теплообменная ячейка 4 выполнена с возможностью возвратно колебательного теплообмена, путем изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 с возможностью за счет тепла его плавления отбора тепла от рабочего газа, а при застывании термоаккумулирующего вещества 14 - подогрева холодного воздуха, при этом теплообменные ячейки 4 установлены между торцевыми дисками 2 и 3 с возможностью жесткого крепления к дискам 2 и 3 в точках 8 жесткого крепления. Такое выполнение теплообменных ячеек 4 позволяет повысить эффективность теплообмена, так как стабильная температура внутренней поверхности 12 канала 5 каждой теплообменной ячейки 4 позволяет увеличить разность температур между ней и газом или воздухом и повысить тепловой напор при теплопередаче, что ускоряет процесс теплообмена. Кроме кристаллических и металлических материалов, имеющих узкий температурный интервал плавления - затвердевания возможно применение аморфных веществ с необходимым, соответствующим указанным выше требованиям интервалом температур изменения агрегатного состояния.
Кроме этого из-за выполнения в каждом из стаканов 10 между шестигранной поверхностью 11 и внутренней поверхностью 12 канала 5 кольцеобразной полости 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, имеющее возможность при рабочей температуре, при подводе тепла изменения своего агрегатного состояния с твердого на жидкое, а при отводе тепла - обратно, то такое выполнение каждой теплообменной ячейки 4 с теплоаккумулирующим веществом 14 в кольцеобразной полости 13 позволяет стабилизировать температуру внешней стенки, примыкающей к шестигранной поверхности 11 и несущей основные нагрузки, каждой ячейки 4 и создать непреодолимое препятствие на пути возвратно-колебательного процесса перетока тепла, то есть при этом термоаккумулирующее вещество 14 выполняет функцию термофизической теплоизоляции шестигранной поверхности 11 от возвратно-колебательного процесса перетока тепла от внутреннего канала 5 в пределах возможности поглощения тепла при плавлении или отдачи тепла при его застывании, за этими пределами очевидно будет происходить обычный процесс теплообмена.
Кроме этого шестигранная форма внешней поверхности 11 каждого стакана 10 позволяет повысить жесткость и устойчивость к формоизменяющей деформации каждой отдельной термоаккумулирующей теплообменной ячейки 4 и компактно расположить все теплообменные ячейки 4 с возможностью контроля их свободного теплового расширения путем создания гарантированного зазора между ними, а при необходимости и формоизменения.
Холодный и горячий торцевые диски 2 и 3 выполнены из материалов отношение коэффициентов линейного расширения которых обратно пропорциональным отношению приростов средних рабочих температур дисков, что позволяет устранить взаимную неравномерность теплового расширения дисков под действием разных рабочих температур, таким образом при нагреве до рабочих температур и в условиях возвратно колебательного теплообмена, воздействие которого на торцевые диски не возможно устранить, уменьшается так называемая грибообразная деформация каркаса, в широком диапазоне изменения расходов дополнительного воздуха и дополнительного топлива, особенно если необходимо для улучшения условий сгорания его полностью испарять. При этом уменьшается неравномерность деформации отдельных взаимно противолежащих частей торцевых дисков 2 и 3 под воздействием соответствующих входящих горячих газов и холодного воздуха, в том числе до и после теплообмена, так как указанные свойства материалов дисков уменьшают их относительную тепловую деформацию в условиях возвратно колебательного теплообмена, так как перепады температур между горячими и холодными частями торцевых дисков 2 и 3, находящимися под воздействием соответственно охлаждаемого горячего потока газа от сгоревшего дополнительного топлива и нагреваемого холодного потока дополнительного воздуха будут соответствующим образом пропорциональны, таким образом и термические деформации указанных противолежащих частей торцевых дисков 2 и 3 будут пропорциональны или почти равны, что уменьшит общую грибообразность деформации всего каркаса 1, даже с учетом динамики теплообменного процесса. Синхронные термические деформации частей дисков 2 и 3 под воздействием переменных по температуре газового и воздушного потоков не могут привести к чрезмерным внутренним напряжениям в этих дисках, так как они будут изменять свои размеры пропорционально температуре на их поверхности, то есть части дисков, находящиеся под воздействием горячего газа будут ненамного больше холодных частей, находящихся под действием холодного воздуха, но общая овализованная цилиндричность указанных дисков не нарушит общую работоспособность каркаса 1, так как при расчете и изготовлении дисков 2 и 3 каркаса 1 в целом радиальные зазоры между ним и корпусом обязательно должны выбираться заведомо больше возможных рабочих термических деформаций каркаса, а поверхности корпуса, сопряженные с торцевыми дисками 2 и 3 с установленными в них радиальными 6 и окружными 7 уплотнениями выполнены с необходимыми не изменяющимися зазорами. По этой причине диски 2 и 3 могут быть выполнены с меньшей конструктивной прочностью и материалоемкостью. При этом следует отметить, что плоскопараллельность горячей и холодной частей каждого из дисков 2 и 3 будет сохранена, так как эти части будут синхронно изменять свои размеры, что позволит повысить работоспособность подогревателя и его уплотнений вследствие сохранения плоской формы их поверхностей, к которым примыкают радиальные 6 и 7 окружные уплотнения, установленные на корпусе, то есть зазор между уплотнениями и дисками будет в пределах конструктивных рабочих зазоров, что не позволит нарушить их работоспособность.
Поддержание постоянства температуры (путем термического изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества) несущих основные силовые нагрузки стенок, примыкающих к внешним шестигранным поверхностям 11 каждого стакана 10 позволяет повысить стабильность формы и размеров каждого из стаканов 10, как в месте расположения холодного диска 3, так и в месте расположения горячего диска 2 и уменьшить их деформирующее влияние на термические деформации всего каркаса 1, так как несущие основные силовые нагрузки стенки, примыкающие к шестигранным поверхностям 11 теплообменных ячеек 4 будут находиться при относительно стабильной температуре в следствие термофизической теплоизоляции. Это достигается путем сохранения цилиндрической формы каркаса и сохранения постоянства размеров и формы его шестигранных частей, несущих основные механические нагрузки, высокотемпературного вращающегося дискового подогревателя энергетической установки вследствие стабилизации температурного поля несущих конструктивных элементов каркаса 1 и устранения возможности деформирующего воздействия неравномерного изменения поля распределения температур на указанный каркас 1 при возвратно колебательном теплообмене в теплообменных ячейках 4, что достигается за счет повышения постоянства температур несущих конструктивных элементов путем их термофизической теплоизоляции, то есть стабилизации поля температур и сохранения равномерности поля температур на шестигранных поверхностях несущих конструктивных элементов при изменении режимов работы энергетической установки из-за устранения знакопеременного термического колебательного воздействия на несущие шестигранные части при нагреве и охлаждении теплообменных ячеек путем сглаживания колебаний температуры вследствие поглощения термоаккумулирующим веществом при его плавлении избытка тепла от горячего газа и отдачи холодному воздуху недостающего ему тепла термоаккумулирующим веществом при его застывании. Кроме этого достаточно узкий диапазон плавления - затвердевания термоаккумулирующего вещества позволит стабилизировать температуру подогрева холодного дополнительного воздуха и испарения дополнительного жидкого топлива, вследствие чего условия сгорания образованной таким образом топливно-воздушной смеси будут предсказуемыми (штатными, полученными разными путями, как расчетными, так и опытными), постоянными и эффективными. Очевидно, что запас (масса) термоаккумулирующего вещества внутри полостей теплообменных ячеек каркаса должна быть выбрана с запасом на нагрев и испарение дополнительного топлива на всех режимах работы высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела в горелке энергетической установки.
Параллельное и синхронное изменение линейных размеров и поддержание формы и взаимных размеров противолежащих частей дисков приведет к уменьшению изгибных деформаций стаканов, вследствие постоянства синхронного взаимного радиального изменения расстояния их точек крепления от оси вращения на соответствующей части дисков.
Высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки для предотвращения деформации его каркаса при работе гибридной силовой установки реализуется при помощи выше указанного устройства высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки в следующей последовательности действий и достигает указанных технических результатов и решения поставленной технической задачи.
На фиг. 2 и 4 показана типичная гибридная микротурбинная энергетическая установка с высокотемпературным вращающимся дисковым регенеративным подогревателем рабочего тела и примерное распределение температур в ней.
Высокотемпературный вращающийся дисковый регенеративный подогреватель рабочего тела энергетической установки предназначен для повышения ее эффективности путем увеличения теплоиспользования гибридной силовой установки посредством подогрева воздуха и охлаждения отходящих газов, используемого преимущественно в составе гибридных силовых установок для генерирования электрического тока, обычно включающих систему регулирования температур и расходов воздушного и газового потоков, то есть ее выходной мощности, и которая работает следующим образом.
После пуска и выхода на рабочий режим через воздушный фильтр воздух поступает в компрессор, где предварительно сжимается и поступает в регенератор (предпочтительно) в виде набегающего воздушного потока, который входит в ротор высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки с его холодной стороны 18 через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора, а выходит из него через горячий 2 торцевой диск каркаса 1 ротора на его горячую сторону 19 в виде уходящего нагретого воздушного потока, который поступает в микротурбинный двигатель, температура газов на его выходе регулируется системой управления, например, путем изменения подачи необходимого для соответствующего режима работы количества топлива в камеру сгорания. После этого газовый поток входит с горячей стороны 19 в ротор высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора и выходит через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в виде охлажденного газового потока, уходящего с холодной стороны 18 каркаса 1 высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки.
При этом реализуется работа высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки с возможностью предотвращения грибообразной деформации формы его каркаса в гибридной силовой установке, предназначенного для использования преимущественно в составе гибридных силовых установок для производства тепла и/или генерирования электрического тока, обычно включающих систему регулирования температур и расходов воздушного и газового потоков, корпус и установленный в нем ротор, содержащий каркас 1, состоящий из горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков и закрепленных между ними теплообменных ячеек 4, выполненных в виде шестигранных стаканов 10, и установленный в корпусе регенеративного подогревателя рабочего тела с возможностью вращения и попеременного прохождения через него в противотоке, по меньшей мере, одного нагреваемого потока воздуха и, по меньшей мере, одного охлаждаемого газового потока, причем набегающий воздушный поток входит в ротор через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора, а выходит из него через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора в виде уходящего нагретого воздушного потока, а горячий газовый поток входит в ротор с горячей стороны 19 через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора и выходит через холодный торцевой диск 3 каркаса ротора с холодной стороны 18 в виде уходящего охлажденного газового потока, при этом воздушный и газовый потоки разделены на роторе с каждой внешней стороны горячего 2 и холодного 3 дисков посредством, по меньшей мере, одного радиального 6 и одного окружного 7 уплотнений ротора, размещеных на корпусе (который на фиг. 1, 2 и 3 не показан). Эти признаки полностью повторяют совокупность известных признаков, их свойства и достигаемые в прототипе известные технические результаты, заключающиеся в выравнивании поля температур и возможности поддержании плоской формы по контактным поверхностям горячего 2 и холодного 3 дисков каркаса 1 ротора, что может снизить экстремальные значения термических деформаций и повысить равномерность их распределения по указанным поверхностям.
Для уменьшения деформирующего воздействия перепадов температур на каркас 1 и снижения величин его термических деформаций без сложного создания структуры каналов охлаждения и других аналогичных условий для выравнивания и стабилизации поля температур по несущим элементам конструкции каркаса 1 необходимо изменить конструкцию каркаса 1 и последовательной его работы, то есть действий над ним, приводящих к снижению деформаций каркаса 1. Это достигается за счет использования следующих отличительных признаков предложенного высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки при его работе.
При этом путем регулирования расходов и температур потоков, системой регулирования температур и расходов воздушного и газового потоков (на фиг. 3 не показана) энергетической установки поддерживают близкие или с минимальным перепадом температур потоки у выхода уходящего нагретого воздушного потока и выходящего из ротора охлажденного газового потока через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в зоне радиальных 6 и окружных 7 уплотнений ротора, установленных на корпусе и выполненных лабиринтными, так как это будет температура плавления - застывания термоаккумулирующего вещества и по этой причине самым эффективным будет процесс теплопередачи, при котором тепло, отданное горячим газом и полученное холодным воздухом при указанной конечной температуре или близкой к ней, не будет избыточным в горячем газе, тепловыделение при горении не будет избыточным, а тепломассообмен в энергетической установке будет оптимальным.
Системы регулирования температур и расходов воздушного и газового потоков, используемые преимущественно в составе гибридных силовых установок для генерирования электрического тока, разнообразны и состоят из общеизвестных устройств регулирования, что не может быть предметом предложенного изобретения. Это позволяет общеизвестными методами и помощью общедоступных технических средств создать более равномерное поле температур по поверхностям горячего 2 и холодного 3 дисков, что является очевидным, так эти действия аналогичны известным действиям в прототипе и являются развитием указанных известных действий. Это явно реализуется в промышленности вследствие возможности работы газотурбинной гибридной установки в одном оптимальном выбранном термодинамическом режиме работы микротурбинного двигателя. При этом следует отметить, что равномерность распределения температур по горячему 2 и холодному 3 дискам может быть правильно организована путем выбора теплофизических характеристик теплообменных ячеек и времени теплообмена (контакта) с потоками горячего газа и холодного воздуха, чем выше эффективность теплообмена, тем ближе будут начальные и конечные температуры поверхностей горячего 2 и холодного 3 дисков соответственно для нагреваемого потока холодного воздуха и соответственно охлаждаемого газового горячего потока, так как набегающий воздушный поток входит в ротор через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора, а выходит из него через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора в виде уходящего нагретого воздушного потока, а газовый поток входит в ротор через горячий торцевой диск 2 каркаса 1 ротора и выходит через холодный торцевой диск 3 каркаса 1 ротора в виде уходящего охлажденного газового потока, в результате чего эти потоки чем больше отдают и получают тепла от теплопередающих ячеек, тем и соответственно будут ближе температуры воздуха и газа в частях потоков, проходящих соответственно через горячий 2 и холодный 3 торцевые диски каркаса 1.
Выполнение же теплообменных ячеек в виде стаканов с внешними шестигранными поверхностями 11 и с внутренними поверхностями 12 каналов 5, в каждом из которых между внешней шестигранной поверхностью 11 и цилиндрической внутренней поверхностью 12 канала 5 выполнена кольцеобразная полость 13, заполненная термоаккумулирующим веществом 14, которое при рабочей температуре и подводе тепла меняет свое агрегатное состояние с твердого на жидкое, а при отводе тепла -обратно, то есть с точкой плавления - затвердевания в диапазоне рабочих температур высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, это позволяет поддерживать максимально возможный перепад температур между газом или воздухом и внутренней поверхностью 12 каналов 5 стаканов 10 теплообменных ячеек 4, так как ее температура не будет стремительно подниматься из-за постоянного теплоотвода или теплоподвода вследствие участия термоаккумулирующего вещества 14 и его термостабилизирующего действия как при прямом, так и при обратном процессе изменения его агрегатного состояния. Это явление также повышает эффективность и скорость теплообмена в обоих направлениях теплопередачи, как от охлаждаемого газа к каждой теплообменной ячейке, так и к нагреваемому воздуху от каждой теплообменной ячейки 4, вследствие этого поддерживается максимально возможный перепад температур между внутренней поверхностью 12 канала 5 и воздухом или газом, потому что в отличие от прототипа температура внутренней поверхности 12 канала 5 практически остается постоянной, а разность температур (тепловой напор) между всей внутренней поверхностью 12 канала 5 и соответственно горячим газом на протяжении всего внутреннего канала 5 каждой теплообменной ячейки 4 при всем процессе его охлаждения или также между внутренней поверхностью 12 канала 5 и холодным воздухом при его нагреве будет максимальной, вследствие чего изменение агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14 позволяет поддержать максимальный тепловой напор теплового потока и передать максимальное количество тепла, как за цикл возвратно колебательного теплообмена, то есть иметь высокие удельные показатели на единицу массы, так и в единицу времени в обе стороны возвратно колебательного теплообмена, то есть при этом получается максимальная скорость теплообмена. Эти технические эффекты могут достигаться вследствие радиального распространения от оси канала 5 процесса плавления - застывания термоаккумулирующего вещества 14. При этом не полностью расплавленное в цикле возвратно колебательного теплообмена термоаккумулирующее вещество 14 возможно в виде кольца будет располагаться на максимальном расстоянии от оси канала 5, это будет также дополнительно стабилизировать температуру на поверхности стенки кольцеобразной полости 13, примыкающей к внешней шестигранной поверхности 11, увеличивая эффект термофизической теплоизоляции.
При правильном выборе соотношения коэффициентов линейного расширения материалов горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков, которое выбирают обратно пропорциональным отношению приростов средних рабочих температур дисков, а приэтом теплообменные ячейки выполняют в виде стаканов 10 с внешними шестигранными поверхностями 11, и с внутренними поверхностями 12 каналов 5, между которыми выполнена кольцеобразная полость 13, внутри которой размещено термоаккумулирующее вещество 14, и устанавливают их между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере с одной точкой жесткого крепления на каждом диске, а, по меньшей мере, каждые две точки жесткого крепления стаканов 10 на соседних дисках 2 и 3 располагают в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к ней плоскости сечения дисков, проходящей через ось симметрии каждого стакана, а зазор между стаканами выбирают с возможностью их свободного взаимного расширения при максимальной рабочей температуре. Эти признаки позволяют при одинаковых (как в аналогах и прототипе) температурах на отдельных поверхностях горячего 2 и холодного 3 дисков получить одинаковые линейные расширения (изменения размеров) частей дисков имеющих разные рабочие температуры, соответственно малое для рабочей температуры горячего диска, то есть при высокой рабочей температуре за счет малого коэффициента линейного расширения его материала и при меньшей рабочей температуре относительно большое линейное расширение холодного диска с более высоким коэффициентом линейного расширения материала создает условие равных линейных расширений (изменения размеров) частей дисков, которые в результате воздействия разного значения температур приведет почти к одинаковому линейному расширению частей горячего и холодного дисков соответственно для их выбранных или рассчитанных рабочих температур. При правильном выборе коэффициентов линейного расширения материалов горячего 2 и холодного 3 торцевых дисков обратно пропорциональным отношению приростов рабочих температур дисков их абсолютные линейные увеличения размеров при расчетных или рабочих температурах, подобранных опытным путем, будут практически одинаковыми, а общие грибообразные деформации каркаса 1 будут минимальными.
При этом следует разъяснить, что в холодном состоянии форма каркаса 1 может быть деформирована, так как ее оптимальные размеры и форма рассчитаны на рабочее распределение температур по поверхностям каркаса 1, а именно соответственно горячего диска 2, холодного диска 3 и канала 5 теплообменных ячеек 4. И только после выхода на рабочий режим форма каркаса 1 должна быть близка к цилиндрической.
Поддержание постоянства температуры (путем термического изменения агрегатного состояния термоаккумулирующего вещества 14) каждого стакана 10 позволяет повысить стабильность формы и размеров каждого из стаканов 10, горячего 2 и холодного 3 дисков и уменьшить их деформирующее влияние на термические деформации всего каркаса 1, так как несущие основные силовые нагрузки стенки, примыкающие к шестигранным поверхностям теплообменных ячеек 4, будут находиться при относительно стабильной температуре. Путем сохранения цилиндрической формы каркаса, торцевых дисков и сохранения постоянства размеров и формы его шестигранных частей стаканов 10, несущих основные механические нагрузки, высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя энергетической установки за счет стабилизации температурного поля несущих конструктивных элементов каркаса и устранения возможности его деформирующего воздействия на каркас при возвратно колебательном теплообмене в теплообменных ячейках за счет повышения постоянства температур несущих конструктивных элементов путем их термофизической теплоизоляции, то есть стабилизации поля температур и сохранения равномерности поля температур на шестигранных поверхностях несущих конструктивных элементов при изменении режимов работы энергетической установки из-за устранения знакопеременного термического колебательного воздействия на несущие шестигранные части при нагреве и охлаждении теплообменных ячеек путем сглаживания колебаний температуры за счет поглощения термоаккумулирующим веществом при его плавлении избытка тепла от горячего газа и отдачи холодному воздуху недостающего ему тепла термоаккумулирующим веществом при его застывании.
Если теплообменные ячейки 4 выполняют в виде стаканов 10 с шестигранными поверхностями 11 и внутренней поверхностью 12 каждого канала 5 теплообменных ячеек 4 и устанавливают между торцевыми дисками 2 и 3, по меньшей мере с одной точкой жесткого крепления 8 на каждом диске, а, по меньшей мере, каждые две точки жесткого крепления 8 стаканов 10 на соседних дисках 2 и 3 располагают в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной и/или тангенциальной к оси вращения ротора плоскости сечения соответствующих дисков, и проходящей через ось симметрии каждого стакана 10, то этим достигается устранение воздействие тепловых деформаций теплообменных ячеек 4, выполненных в виде стаканов 10, на торцевые диски 2 и 3 при весьма значительном перепаде температур по длине стакана 10 каждой теплообменной ячейки 4, так как торцевые поверхности, соприкасающиеся с соответствующим диском имеют возможность свободного линейного расширения и это не вызывает деформацию дисков. Расположение точек 8 жесткого крепления стаканов 10 теплообменных ячеек 4 на соседних дисках 2 и 3 в диаметральной плоскости сечения их оснований, расположенной в радиальной плоскости сечения дисков 2 и 3, т.е. в плоскости, проходящей через ось вращения ротора и диска в радиальном направлении, позволяет достичь минимального перепада температур между указанными точками, так как эти точки одновременно начинают подвергаться воздействию холодного воздуха или горячего газа и будут находиться в близких температурных условиях в течение всего процесса теплообмена даже если они будут находиться на одном диске. Расположение точек 8 жесткого крепления стаканов теплообменных ячеек 4 на соседних дисках в диаметральной плоскости сечения их оснований теплообменных ячеек 4, расположенной в тангенциальной к ней плоскости сечения дисков, т.е. в плоскости перпендикулярной радиальной плоскости его сечения в одном направлении, позволяет достичь минимального перепада температур между указанными точками, так как эти точки расположены в близких или одинаковых условиях воздействия воздуха или газа для выбранной внутренней поверхности каждой теплообменной ячейки 4 и будут находиться в относительно близких температурных условиях в течение всего процесса теплообмена, потому что часть потока воздуха или газа, находящаяся в указанном канале 5 теплообменной ячейки 4 будет иметь практически одинаковое распределение температур по длине внутренней поверхности 12 канала 5, вследствие чего термические деформации линейных размеров и формы каждой ячейки 4 в отдельности и всех ячеек вместе не приведут к изменению цилиндрической формы каркаса и не приведут к получению грибообразной деформации, а вызовут лишь соответствующий поворот одного торцевого диска относительно другого.
Шестигранная форма внешней поверхности 11 стаканов 10 выбрана для упрощения выбора и контроля зазоров между внешними шестигранными стенками и их «плотной упаковки» (распределения с минимальными технологическими зазорами по сечению торцевых дисков каркаса). При этом форма внешней шестигранной поверхности 11 стаканов 10 позволяет достичь повышения их жесткости и устойчивости формы стаканов 10, особенно при выполнении стакана 10 составным и установке внутри внутреннего канала 5 тонкостенной теплопередающей гильзы.
При этом будет интенсивное движение и минимальное перетекание через уплотнения потоков воздуха и газов с близкими температурами в зоне радиальных 6 и окружных 7 уплотнений ротора высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки, установленных на корпусе, вследствие выполнения этих уплотнений лабиринтными, что при указанных выше условиях позволяет достичь минимального зазора, его стабильности и эффективного бесконтактного уплотнения, это происходит вследствие уменьшения термических деформаций каркаса и стабилизации по этой причине величины зазора в уплотнениях.
Выполнение всех зазоров 9 между стаканами 10 каркаса 1 вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки по каждой из шести внешних граней каждого стакана 10 достаточной величины, которую выбирают из условия возможности обеспечения свободного взаимного радиального расширения каждого стакана 10 в направлении выбранной грани и возможного ее поворота вокруг оси стакана 10, относительно других стаканов 10 каркаса 1 при его максимальной рабочей температуре без возможности их взаимного контакта и появления возможности деформации каркаса.
Для снижения возможных перетечек воздуха и газа технологические установочные зазоры между стаканами и дисками могут быть уплотнены любым известным способом при помощи известных средств и известных термостойких герметизирующих составов, позволяющих осуществить взаимные линейные нормальные и тангенциальные смещения указанных деталей в пределах выбранных или рассчитанных зазоров.
На основании изложенного можно утверждать следующее:
Поставленная техническая задача решается техническими средствами, которые могут быть использованы в предложенном виде в народном хозяйстве, следовательно, предложение соответствует критерию охраноспособности изобретения «промышленная применимость».
Предложение имеет отличия от известной конструкции, а при его использовании достигаются новые технические результаты, которые не могут быть получены при работе известного регенеративного подогревателя рабочего тела и энергетической установки, следовательно, соответствует критерию охраноспособности изобретения «новизна».
Предложение при использовании всех известных и новых конструктивных особенностей и последовательности действий при осуществлении работы высокотемпературного вращающегося дискового регенеративного подогревателя рабочего тела энергетической установки позволяет достичь новых ранее неизвестных технических результатов, следовательно, это позволяет утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности изобретения «изобретательский уровень».