МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MULTI-PIPE HEAT AND POWER PLANT

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации тепловой энергии природных поверхностных и геотермальных вод, сбросных вод теплоэнергетических и других промышленных предприятий, а именно для трансформации низкопотенциальной тепловой энергии воды в электрическую.
Известно устройство (тепловой двигатель) для утилизации тепла огнетехнического агрегата, содержащее последовательно соединенные между собой парогенератор (испарительную камеру), подключенный к огнетехническому агрегату (горячей среде), силовую турбину, конденсатор (конденсационную камеру), питательный насос, подогреватель и воздушный теплообменник [1].
Основными недостатками известного устройства являются невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов, тепловых ресурсов природных источников и получения электроэнергии, что снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является теплоэнергетическая установка, которая содержит замкнутый циркуляционный контур для хладоагента, включенные в него насос, теплообменник (испарительную камеру), турбину, конденсатор (конденсационную камеру) и расположенные на одном валу с ними разомкнутый воздушный контур, компрессор, турбину и двигатель - электрогенератор [2].
Основным недостатком известного устройства является невозможность утилизации низкопотенциальных вторичных тепловых энергоресурсов и тепловых ресурсов природных источников, что снижает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности теплоэнергетической установки при утилизации тепла воды, в том числе и низкопотенциального.
Технический результат реализуется в мультитеплотрубной электростанции (МТТЭС), содержащей испарительную камеру, турбину, питательный насос, конденсационную камеру и разомкнутые циркуляционные контуры по воздуху и воде, причем эти компоненты находятся в корпусе, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера (парогенератор), состоящая из вертикальных испарительных гильз, внутренняя поверхность которых частично покрыта полосами пористого материала (фитиля), образующими между собой канавки, и соединенных открытым торцом с сепарационной секцией, внутренняя поверхность которой также покрыта сплошным слоем того же фитиля и в которой расположены передний и задний распределительные коллекторы, снабженные форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, отделенная снизу глухой перегородкой, покрытой фитилем с перфорированным сепарационным элементом, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера, заполненная другим фитилем, через боковые стенки которой и слои фитиля насквозь пропущен вал, на который насажено колесо силовой турбины, помещенной в корпус турбины, сообщающийся с испарительной камерой через паровое сопло, а через патрубок мятого пара с конденсационной камерой, состоящей из распределительной секции, днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами, дно которых, в свою очередь, соединено с фитилем рабочей камеры осевыми фитилями, проходящими через центр конденсационных гильз, не касаясь внутренней поверхности их стенок, причем на наружной поверхности боковых стенок рабочей камеры устроены передний и задний питательные насосы, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле рабочей камеры и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал, на который насажены роторы питательных насосов, соединенных через напорные трубопроводы с передним и задним коллекторами испарительной камеры, причем конденсационные гильзы конденсационной камеры помещены в верхний короб, снабженный входным и выходным патрубками с вентилятором, размещенным на входе во входной патрубок верхнего короба, испарительные гильзы испарительной камеры помещены в нижний короб, снабженный входным и выходным патрубками, фильтром и насосом, размещенными на входе во входной патрубок нижнего короба, а выходной конец вала соединен с электрогенератором.
На фиг.1-5 представлена предлагаемая мультитеплотрубная электростанция (МТТЭС).
МТТЭС состоит из корпуса 1, внутри которого по ходу движения пара расположены испарительная камера 2, состоящая из испарительных гильз 3, соединенных своими открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность которых покрыта полосами пористого материала (фитиля) 5, образующими между собой канавки 6, и сплошным слоем фитиля 5, соответственно, в которой размещены передний и задний распределительные коллекторы 7 и 8, соответственно, снабженные форсунками 9, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 3, отделенная снизу глухой перегородкой 10, также покрытой слоем фитиля 5, с перфорированным сепарационным элементом 11, выполненным в виде треугольной призмы, рабочая камера 12, заполненная фитилем 13, через боковые стенки которой и слои фитиля 13 насквозь пропущен вал 14, на который насажено колесо силовой турбины 15, помещенной в корпус турбины 16, сообщающийся с испарительной камерой 2 через паровое сопло 17, соединенное со стыковочной кромкой перегородки 10, а через патрубок мятого пара 18 с конденсационной камерой 19, состоящей из распределительной секции, 20 днище которой через отверстия соединено с конденсационными гильзами 21, крышки которых, в свою очередь, соединены с фитилем 13 осевыми фитилями 22, проходящими через центр конденсационных гильз 21, не касаясь поверхности их внутренних стенок, причем на наружной поверхности торцевых стенок рабочей камеры 12 устроены передний и задний питательные насосы 23 и 24, соответственно, соединенные через всасывающие отверстия с передним и задним резервуарами рабочей жидкости 25 и 26, соответственно, представляющими собой цилиндрические полости, размещенные в фитиле 13 и сообщающиеся с ним через поры в наружной поверхности, по центральной оси которых проходит вал 14, на который насажены роторы насосов 23 и 24, соединенные через напорные трубопроводы 27 и 28 с передним и задним коллекторами 7 и 8 испарительной камеры 2, соответственно, причем гильзы 21 конденсационной камеры 19 помещены в верхний короб 29, снабженный входным и выходным патрубками 30 и 31, соответственно, вентилятором 32, размещенным на входе в патрубок 30, испарительные гильзы 3 испарительной камеры 2 помещены в нижний короб 33, снабженный входным и выходным патрубками 34 и 35, соответственно, фильтром 36 и насосом 37, размещенными на входе в патрубок 34, а выходной конец вала 14 соединен с электрогенератором 38.
В основе работы предлагаемой МТТЭС лежит основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, согласно которому положительная работа расширения пара в турбине значительно превышает отрицательную работу насоса по сжатию конденсата [3, с.117] и, таким образом, получается механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую, а также высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью - переносчиком теплоты, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [4, с.146, 5, с.106].
Предлагаемая МТТЭС работает следующим образом.
Предварительно, перед началом работы из камер 2, 9, 17 удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред (наружного воздуха и воды), отдельно в испарительную камеру 2 до полного насыщения фитиля 5 и совместно в рабочую и конденсационную камеры 12 и 19, соответственно (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг.1 не показаны), в количестве, достаточном для заполнения объема пор фитилей 13 и 22, резервуаров рабочей жидкости 25, 26, насосов 23, 24 и напорных трубопроводов 27, 28 с коллекторами 7 и 8. После этого корпус 1 МТТЭС устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 2 с испарительными гильзами 3 контактировала с водной (горячей) средой, а конденсационная камера 10 с конденсационными гильзами 21 с воздушной (холодной). Для этого МТТЭС помещают в водоем, погружая короб 33 с испарительными гильзами 3 до полного его заполнения или соединяя его с источником водоснабжения, и запускают насос 37 и вентилятор 32, в результате чего в корпусе 1 создаются разомкнутые контуры циркуляции воды и воздуха. Непрерывная циркуляция воды и воздуха обеспечивает интенсивный теплообмен рабочего тела (пара и жидкости) в конденсационной и испарительной камерах 10 и 2 с водной и воздушной средами за счет создания в коробах 33 и 29 турбулентных потоков. В результате нагрева испарительных гильз 3 испарительной камеры 2 происходит испарение рабочей жидкости в канавках 6, находящейся в фитиле 5, который предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности торца и таким образом интенсифицирует процесс испарения [6, с.22], образуется пар, создается давление в испарительной камере 2, полученный пар, проходя через перфорированный сепарационный элемент 11, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которая отбрасывается на поверхность фитиля 5 и транспортируется им в испарительные гильзы 3, через паровое сопло 17 поступает на лопатки колеса силовой турбины 15, вращая его совместно с валом 14, который сообщает вращательное движение роторам питательных насосов 23 и 24 и ротору электрогенератора 38, который начинает вырабатывать электроэнергию и подавать ее потребителям. При этом в корпусе турбины 16 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [3, с.331], после чего отработавший пар через патрубок мятого пара 18 попадает в конденсационную камеру 19 через распределительную секцию 20, где давление пара уменьшается еще в результате его дальнейшего расширения, откуда равномерно распределяется по конденсационным гильзам 21, конденсируется там за счет контакта наружной поверхности конденсационных гильз 21 с холодной средой, после чего образовавшийся конденсат всасывается подъемными фитилями 22 в поры фитиля 13, откуда под воздействием капиллярных сил и разрежения, создаваемого насосами 23 и 24 адиабатно [5, с.106], транспортируется в резервуары рабочей жидкости 25 и 26, откуда насосами 23 и 24 через напорные трубопроводы 27 и 28, коллекторы 7 и 8 и форсунки 9 под давлением, величина которого определяется рабочим давлением пара в испарительной камере 2, рабочая жидкость разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 3, испаряется с поверхности канавок 6, и в соответствии с вышеописанным процессом цикл повторяется. При этом парная установка питательных насосов 23 и 24, резервуаров 25 и 26, напорных трубопроводов 27 и 28 коллекторов 7 и 8 с форсунками 9 обусловлена необходимостью обеспечения равномерной нагрузки на фитиль 13 и равномерного распределения рабочей жидкости в испарительные гильзы 3.
Скорость вращения колеса турбины 15 и, соответственно, выработка электроэнергии МТТЭС возрастает с увеличением разности температур между водой и наружным воздухом и, таким образом, увеличивается в зимнее время, т.е. в период, когда резко возрастает энергопотребление. Кроме того, МТТЭС имеет значительные перспективы для применения в районах высоких широт, в которых наружный воздух на протяжении всего года имеет отрицательную температуру.
Таким образом, предлагаемая МТТЭС обеспечивает возможность получения электрической энергии за счет утилизации тепловых энергоресурсов вод различного потенциала, в том числе и низкопотенциальных (энергии поверхностных и геотермальных вод, сбросных вод и т.д.), в значительном количестве за счет наличия множества тепловых труб, многократно увеличивающих площадь контакта с горячей и холодной средами, что позволяет использовать ее в промышленных масштабах и обеспечивает его высокую эффективность особенно в районах высоких широт.
Литература
1. А.с. №769038, Мкл. F01K 17/06, F01B 25/10, 1980.
2. А.с. №1460554, Мкл. F25B 11/00, F01K 23/04, 1989.
3. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.
4. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, 496 с.
5. В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, 170 с.
6. Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. трудов. М.: - 1990, 157 с.