СИСТЕМА ТЕПЛОГЕНЕРАТОР-ТУРБОДЕТАНДЕР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплогенерирующим системам и может быть использована для выработки тепловой энергии в гидродинамическом теплогенераторе без использования внешнего источника тепла, для подогрева через теплообменник природного газа направляемого в турбодетандер, т.е. расширительную машину.
Из [1] известны разновидности теплогенераторов:
- пассивные тангенциальные (вихревой теплогенератор);
- пассивные аксиальные (струйный теплогенератор);
- активные (роторный теплогенератор).
К пассивным отнесены теплогенераторы статического типа, не содержащие подвижных частей в устройствах формирования потока жидкости. Механическая активация рабочего тела в этих генераторах происходит в процессе и в результате взаимодействия движущейся жидкости с неподвижными элементами рабочей камеры, выполненными и расположенными таким образом, чтобы наиболее эффективно формировать поток с резко выраженной нелинейностью пространственного распределения мгновенных скоростей жидкости как по величине, так и по направлению.
Принцип действия пассивного теплогенератора в значительной мере определяется способом ввода потока жидкости в его рабочую камеру - тангенциальным или аксиальным, поэтому генераторы этого вида целесообразно разделить на две подгруппы: с тангенциальным и с аксиальным вводами потока.
К активным здесь отнесены теплогенераторы динамического типа, в которых механическая активация рабочего тела происходит в результате воздействия на жидкость подвижных активирующих элементов генератора - вращающихся, колеблющихся или совершающих сложное движение.
Более существенным для этой разновидности генераторов является характер движения подвижного активирующего элемента. Конструкционные особенности каждой из выделенных групп.
Пассивный гидродинамический теплогенератор с тангенциальным вводом потока жидкости.
Вихревой теплогенератор, фактически является модификацией широко известной вихревой трубы [3], основанной на эффекте Ранка-Хильша и предназначенной для охлаждения газового потока.
Вихревые теплогенераторы не содержат подвижных элементов, за исключением самого рабочего тела.
Основное отличие вихревого теплогенератора от вихревой трубы Ранка состоит в замене газообразного рабочего тела (воздуха) жидким - водой [2]. Существенными элементами этого генератора служат струезакручивающий аппарат, рабочая или вихревая камера с выходным патрубком и тормозное устройство. Иногда теплогенератор дополнительно содержит перепускную магистраль.
В простейшем случае струезакручивающий аппарат генератора выполнен в виде входного патрубка, обеспечивающего тангенциальный ввод потока холодной воды из нагнетательного насоса в пристеночную область цилиндрической вихревой камеры. В вихревой камере тангенциально введенный поток закручивается, ускоряется и, вращаясь, движется вдоль камеры по направлению к выходному патрубку, где тормозится тормозным устройством и поступает наружу потребителю через выходной патрубок.
В процессе вихревого движения и торможения жидкость в рабочей камере активируется, нагревается, и из выходного патрубка поступает горячая вода. Часть горячей воды для повышения эффективности работы теплогенератора может отводиться с его выхода на вход через перепускную магистраль.
У пассивного гидродинамического теплогенератора с аксиальным вводом потока жидкости основными элементами служат рабочая камера с входным патрубком и сужающее устройство с выходным патрубком. Иногда теплогенератор дополнительно содержит формирователь потока.
Сужающее устройство (диафрагма, сопло, дроссель, фильера и т.п.) такого генератора обычно представляет собой установленную в рабочей камере перегородку с отверстием.
Как правило, используют поперечную перегородку с аксиальным цилиндрическим отверстием, диаметр которого значительно меньше внутреннего диаметра цилиндрической рабочей камеры. При подаче холодной воды под большим давлением в рабочую камеру через входной патрубок, вода, двигаясь к отверстию и сквозь отверстие сужающего устройства, ускоряется, активируется, нагревается и через выходной патрубок поступает потребителю. Формирователь потока применяют для более результативного активирования путем организации желаемого распределения местных скоростей жидкости на входе в сужающее устройство.
В конструкциях пассивных аксиальных теплогенераторов используют различные типы сужающих устройств: с цилиндрическими, коническими, щелевидными или спиральными отверстиями, с одним и более отверстиями, с аксиальным или смещенным отверстиями, с одной или несколькими последовательно установленными перегородками и т.д. [4-10].
В генераторах третьей группы - активных - механоактивация рабочего тела производится с помощью размещенных в их рабочих камерах подвижных активирующих элементов, как правило - элементов ротационного типа с принудительным вращением.
Основным узлом активного ротационного генератора служит ротор, вал которого подсоединен к внешнему приводу.
Ротор устанавливается внутри цилиндрической рабочей камеры, снабженной входным и выходным патрубками, а также тормозным устройством. Ротор и тормозное устройство могут быть выполнены в виде крыльчатых колес (турбин).
При подаче во входной патрубок активного генератора холодной воды она раскручивается принудительно вращающимся ротором, ускоряется, частично активируется и нагревается, движется в направлении неподвижного тормозного устройства, где затормаживается, дополнительно активируется и нагревается и через выходной патрубок поступает наружу.
Разновидности активных теплогенераторов отличаются между собой, в основном, конструкциями роторов и тормозных устройств. Роторы и тормозные устройства могут выполняться в виде турбин с прямыми или профилированными лопастями, тел вращения с продольно профилированными поверхностями, перфорированных цилиндрических или конических барабанов, однонаправленных или противоположно вращающихся перфорированных дисков и пр. [10-19].
Расширительные машины широко применяются в холодильных и криогенных установках.
В большинстве своем данные машины предназначены для внутреннего охлаждения рабочего тела при его расширении с отдачей внешней работы. Последнее обстоятельство позволяет одновременно с эффектом охлаждения использовать работу для преобразования ее, например, в электрическую энергию [20].
По принципу действия расширительные машины разделяются на устройства объемного и кинетического действия.
К машинам объемного действия относятся поршневые детандеры, в которых внутренняя энергия потока рабочего тела преобразуется в работу при одновременном понижении температуры рабочего тела. При этом происходит также изменение давления рабочего тела вследствие изменения объема, что вызывается взаимодействием рабочего тела и перемещающегося элемента машины - поршня. Таким образом, в поршневых детандерах газ расширяется с отдачей внешней работы через поршень детандера и с температурой более низкой, чем его температура на входе в машину, покидает детандер. Преимуществом поршневых детандеров является широкий диапазон начальных температур при малых объемных расходах рабочего тела и относительно высоких начальных давлениях. Поршневой детандер прост в эксплуатации, хорошо регулируется, а в области малых расходов рабочего тела при прочих равных условиях имеет относительно высокий КПД. Адиабатный КПД поршневых детандеров гелиевых рефрижераторов и охладителей находится в диапазоне 0,75-0,85, воздушных и азотных - 0,70-0,85.
Поршневые детандеры применяются в криогенных и холодильных установках для предварительного и окончательного охлаждения рабочего тела, а также для выработки электроэнергии.
Расширительные машины кинетического действия называются турбодетандерами. Принцип работы турбодетандера состоит в том, что газовый поток последовательно проходит по межлопаточным каналам направляющего аппарата, в котором происходит расширение газа и увеличение скорости потока. Далее газовый поток поступает на лопатки рабочего колеса детандера, где отдает свою кинетическую энергию, которая через вал передается внешнему потребителю, например, электрогенератору.
Турбодетандеры, в которых расширение рабочего тела происходит не только в каналах направляющего аппарата, но и в каналах рабочего колеса, называются реактивными, в противном случае - активными. Максимальные значения внутреннего адиабатного КПД реактивных турбодетандеров равны 0,80-0,85, а для активных турбодетандеров - 0,68-0,75. У турбодетандеров крупных воздухоразделительных установок (диаметр рабочих колес 200-250 мм) эти значения достигают 0,85-0,9. Для случаев малых объемных расходов и большой плотности рабочего тела на входе в машину при малых размерах проточной части (диаметр рабочих колес 30-100 мм) КПД составляет 0,6-0,7, а при диаметрах рабочих колес 10-30 мм - 0,3-0,4.
Турбодетандеры по направлению потока подразделяются на осевые и радиальные. Радиальные Турбодетандеры в свою очередь подразделяются на центростремительные и центробежные. В первых поток газа имеет направление от периферии к валу, во вторых - наоборот, от вала к периферии. При сопоставимых условиях (равные объемные расходы, размеры машин, частоты вращения) в ступени радиального центростремительного турбодетандера может быть получена большая, чем в осевой ступени работа расширения. В радиальном центробежном турбодетандере удельная полезная работа меньше, чем в центростремительном. Преимущество радиальных центростремительных турбодетандеров особенно проявляется при сравнительно малых их размерах (диаметр диска колеса менее 120-150 мм). Вследствие преимуществ радиальных турбодетандеров по сравнению с осевыми они чаще применяются в холодильной и криогенной технике (при разделении воздуха, в гелиевых и водородных установках, ожижителях большой производительности).
По числу ступеней расширения турбодетандеры разделяются на одно - и многоступенчатые. В случае организации многоступенчатого процесса в расширительных машинах потери от необратимости снижаются в результате уменьшения отношения давлений в ступенях. В расширительных машинах может быть организовано многоступенчатое расширение с промежуточным подводом тепла. В этом случае холодопроизводительность турбодетандера увеличивается. Оптимальная температура газа перед турбодетандером зависит от давления газа, а холодильная мощность его увеличивается с ростом расхода газа.
Таким образом, исходя из всего вышесказанного, при существующей в России системе газоснабжения снижение давления транспортируемого природного газа производится обычно в двух ступенях - на газораспределительных станциях (ГРС) и на газорегуляторных пунктах (ГРП) и осуществляется за счет дросселирования. При этом, процессе адиабатического дросселирования на станциях понижения давления энтальпия транспортируемого газа не изменяется, а теряется лишь потенциал энергии потока газа, связанный с его высоким по отношению к окружающей среде давлением. Этот потенциал характеризуется возможностью преобразования энергии газового потока в механическую энергию в каком-либо устройстве (например, турбодетандеры - электроэнергию, за счет подключения к турбодетандеру электрогенератора) [21].
Следует отметить, что во всех случаях такие установки должны включаться параллельно основному дроссельному устройству на ГРС или ГРП.
Отличительной особенностью установок для утилизации давления магистрального газа, которые предназначены для выработки только электроэнергии, является необходимость обеспечения условий, при которых температура газа в детандере не должна опускаться существенно ниже нуля градусов Цельсия [22], а значит, газ предварительно нужно нагреть за счет использования внешнего источника тепла в известных решениях это - внешние источники тепла (топливоиспользующие установки подогрева газ, тепловая сеть, ТНУ, дымовые уходящие газы котельной или газотурбинного агрегата который должен располагаться непосредственного возле турбодентандера [21].
Техническим результатом заявленной полезной модели является отказ от внешнего источника тепла за счет выработки тепловой энергии в гидродинамическом теплогенераторе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что система, содержащая турбодетандер, гидродинамический теплогенератор вихревого типа с входным патрубком и выходным патрубком, где расположено устройство торможения выходящего потока, также содержит теплообменник, систему трубопроводов для передачи газового потока под давлением, отличающаяся тем, что содержит нагнетательный насос, выполненный с возможностью вращения от вала колеса детандера, приводимого во вращение лопастями под действием газового потока, причем насос установлен в систему жидкостного трубопровода замкнутого контура, проходящего через гидродинамический теплогенератор вихревого типа, его выходной патрубок и далее в теплообменник.
В первом рассматриваемой варианте (Фиг.1) предлагается к турбодетандеру (4) в котором природный газ последовательно проходит по межлопаточным каналам направляющего аппарата и далее газовый поток поступает на лопатки рабочего колеса детандера, где отдает свою кинетическую энергию, которая через вал передается нагнетательному насосу (1), с помощью которого вода (незамерзающая жидкость) циркулируя по замкнутому контуру и проходя через гидродинамический теплогенератор (вихревого типа) (2), где попадая в струезакручивающий аппарат генератора выполненного в виде входного патрубка, обеспечивающего тангенциальный ввод потока холодной воды из нагнетательного насоса в пристеночную область цилиндрической вихревой камеры, в которой тангенциально введенный поток закручивается, ускоряется и, вращаясь, движется вдоль камеры по направлению к выходному патрубку, где тормозится тормозным устройством и поступает наружу потребителю через выходной патрубок. При это в процессе вихревого движения и торможения вода (антифриз) в рабочей камере активируется, нагревается, и из выходного патрубка поступает в нагретом состоянии, в свою очередь вода (незамерзающая жидкость) проходя через теплообменник «вода-газ» (3) будет нагревать природный газ до температуры после ТД турбодетандера установленной действующим законодательством, т.е. не менее 0-(-10)°С.
При этом для данного варианта характерна простота конструкции вихревого гидродинамического нагревателя, за счет отсутствия подвижных элементов конструкции.
Второй вариант реализации системы предполагает, что система, содержащая турбодетандер, гидродинамический теплогенератор роторного типа, имеющий входной патрубок и выходной патрубок, на котором расположено устройство торможения выходящего потока, также содержащая теплообменник, систему трубопроводов для передачи газового потока под давлением, отличающаяся тем, что гидродинамический теплогенератор роторного типа выполнен с возможностью вращения от вала колеса детандера, приводимого во вращение лопастями под действием газового потока, причем гидродинамический теплогенератор роторного типа подключен в систему жидкостного трубопровода замкнутого контура через входной патрубок, а его выходной патрубок которого связан прямым трубопроводным каналом с теплообменником. Второй вариант (см. Фиг.2) предполагает, что к турбодетандеру (4) в котором природный газ последовательно проходит по межлопаточным каналам направляющего аппарата и далее газовый поток поступает на лопатки рабочего колеса детандера, где отдает свою кинетическую энергию, которая через вал передается гидродинамическому теплогенератору роторного типа (5), где при циркуляции во входном патрубке холодной воды она раскручивается принудительно вращающимся ротором, ускоряется, частично активируется и нагревается, движется в направлении неподвижного тормозного устройства, где затормаживается, дополнительно активируется и нагревается и через выходной патрубок поступает наружу и проходя через теплообменник «вода-газ» (3) будет нагревать природный газ до температуры после турбодетандера установленной действующим законодательством, т.е. не менее 0-(-10)°С. (Фиг.2) Для второго варианта при применении роторного гидродинамического нагревателя исключается дополнительная потеря механической энергии за счет варианта подключения турбодетандер - роторный гидродинамический теплогенератор, в отличие от первого варианта, где к турбодетандеру подключен циркуляционный насос и уже после вихревой гидродинамический нагреватель.
В целом оба вариант обеспечивают отсутствие расхода газа на подогрев природного газа за счет отказа от подогревателя газа и отсутствия необходимости проведения режимно-наладочных испытаний на подогревателе газа, а так же вредных выбросов в атмосферу.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
1. Морозов А.П., Безруков А.А., Безруков Д.А., Семенова Т.П. Тепловые двигатели и нагнетатели. Гидродинамические кавитационные нагреватели: Учебное пособие. Магнитогорск: МГТУ, 2003. 253 с.
2. Дж.Л.Григгс. Патент США US 5188090, 1993 г.
3. Л.Г.Сапогин, Ю.С.Потапов и др. Устройство для нагрева жидкости. Патент РФ RU 2162571, 2000 г.
4. А.И.Колдамасов. Плазменное образование в кавитирующей диэлектрической жидкости. ЖТФ, т.61, в.2, 1991 г.
5. Х.Хасанов. Термоэффект в текучих средах. В сб. «Структурно-динамические процессы в неупорядоченных средах». Изд. СГУ, Самарканд, 1992 г.
6. Л.И.Пищенко, Ю.А.Меренков. Кавитационный тепловой генератор. Патент РФ RU 2131094, 1999 г.
7. С.Н.Чувашев и др. Способ тепловыделения в жидкости и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2177121, 1999 г.
8. И.С.Медведев и др. Гидродинамический кавитационный аппарат. Патент РФ по заявке 98114517/06, 2000 г.
9. Л.Н.Бритвин и др. Кавитатор гидродинамического типа. Патент РФ по заявке 99113709/06, 2003 г.
10. Л.В.Ларионов и др. Кавитатор для тепловыделения в жидкости. Патент РФ по заявке 97118384/06, 1999 г.
11. С.В.Цивинский. Автономная система отопления для здания. Патент РФ RU 2162990, 2001 г.
12. Л.Н.Бритвин и др. Кавитационный энергопреобразователь. Патент РФ по заявке 2001104604/06, 2003 г.
13. Л.Н.Бритвин. Теплогенератор кавитационно-вихревого типа. Патент РФ по заявке 99110397/06, 2001 г.
14. Л.Н.Бритвин и др. Теплогенератор приводной кавитационный. Патент РФ по заявке 99110538/06, 2003 г.
15. А.Д.Петраков. Зонансный насос-теплогенератор. Патент РФ RU 2142604, 1999 г.
16. Н.И.Селиванов, С.В.Агеев. Способ нагревания жидкости и устройство для его осуществления. Патент РФ по заявке 96104366/06, 1998  г.
17. С.С.Кочкин и др. Кавитационно-вихревой теплогенератор. Патент РФ по заявке 2002119773/06, 2003 г.
18. А.Д.Петраков и др. Роторный насос-теплогенератор. Патент РФ RU 2159901, 2000 г.
19. А.Д.Петраков, Г.П.Маспанов. Насос-теплогенератор. Патент РФ RU 2160417, 2000 г.
20. В.П.Мальханов. Турбодетандерные агрегаты в системах подготовки и распределения природного газа - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.И.Губкина. - 2004, 228 с.
21. Степанец А.А. Энергосберегающие турбодетандерные установки-М.: Издательство Недра, 1999. - 258 с.
22. ВРД 39-1.10-069-2002. Положение по технической эксплуатации газораспределительных станций магистральных газопроводов.