УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Полезная модель относится к области добычи газа, газового конденсата и нефти и может быть использована в других отраслях производства для преобразования энергии сжатого газа в тепловую энергию.
Известно устройство для нагрева теплоносителя, содержащее источник механической энергии в виде газовой турбины с входным газовым каналом и выходным газовым каналом, соединенный с газовой турбиной насос, имеющий рабочее колесо и корпус с входным жидкостным каналом и выходным жидкостным каналом, причем жидкостные каналы соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным теплоносителем (RU 49960, 2005).
К существеннму недостатку указанного решения относится снижение эффективности его работы при изменении давления и расхода газа в турбине.
Наиболее близким известным техническим решением предлагаемому по назначению и технической сущности является устройство для нагрева теплоносителя, содержащее источник механической энергии в виде газовой турбины с входным газовым каналом и выходным газовым каналом, соединенный с газовой турбиной насос, имеющий рабочее колесо и корпус с входным жидкостным и выходным жидкостным каналами, которые соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным жидким теплоносителем, рабочее колесо насоса содержит диск из токопроводящего материала, причем в корпусе насоса по окружности размещены постоянные магниты, а полярность магнитов чередуется в окружном направлении с обеспечением возможности наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала (RU 160243, 2016).
Недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании теплоносителя, плотность которого может изменяться в процессе работы (например, при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя), эффективность работы устройства снижается. При изменении давления и расхода газа в турбине изменяется частота вращения вала и изменяется крутящий момент на валу, в этом случае для поддержания оптимального режима работы газовой турбины изменяют и режим работы насоса, и режим работы магнитной системы, что не позволяет поддерживать непрерывность рабочего процесса и обеспечивает ступенчатое регулирование.
Т.е. известные методы ступенчатого регулирования частоты вращения вала турбины не позволяют поддерживать оптимальный режим работы турбины при изменении плотности теплоносителя. Таким образом, данное устройство недостаточно эффективно.
Технической проблемой, на решение которой направлена описываемая полезная модель, является обеспечение постоянной частоты вращения вала турбины в условиях изменения плотности теплоносителя.
Указанная техническая проблема решается тем, что устройство для нагрева теплоносителя содержит газовую турбину, состоящую из корпуса с входным и выходным газовыми каналами, в котором размещен ротор турбины, расположенный на одном валу с насосом, в полости корпуса которого расположены рабочее колесо насоса и диск из токопроводящего материала и который имеет входной и выходной каналы для теплоносителя, связанные между собой с образованием внешнего замкнутого трубопроводного контура, заполненного теплоносителем, и магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов с чередующейся полярностью в окружном направлении с обеспечением наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала, согласно полезной модели, оно снабжено, по меньшей мере, одним магнитопроводом, установленным коаксиально над магнитной системой с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно постоянных магнитов для обеспечения регулирования величины магнитного потока.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении бесступенчатого регулирования крутящего момента на валу турбины и насоса.
На фигуре изображено описываемое устройство для нагрева теплоносителя.
Устройство содержит корпус 1 турбины, в котором расположен ротор 2 турбины. Корпус 1 турбины оснащен входным газовым каналом 3 и выходным газовым каналом 4. Через трансмиссию 5 газовая турбина соединена с насосом, в корпусе 6 которого расположено рабочее колесо 7. Корпус 6 имеет входной канал 8 для теплоносителя  и выходной канал 9 для теплоносителя. Каналы 8 и 9 для теплоносителя соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром 10 для циркуляции теплоносителя. Во внешний замкнутый трубопроводный контур 10 включен потребитель тепловой энергии 11. Рабочее колесо насоса содержит, по меньшей мере, один диск 12 из токопроводящего материала. Устройство также содержит магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов 13 с чередующейся полярностью в окружном направлении, с обеспечением наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала. Устройство также содержит, по меньшей мере, один магнитопровод 14, установленный коаксиально над магнитной системой 13 с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно постоянных магнитов 13 для обеспечения регулирования величины магнитного потока. Ротор 2 турбины, рабочее колесо 7 насоса и диск 12 из токопроводящего материала размещены на общем валу 15. Трансмиссия 5 содержит подшипниковые опоры для размещения вала 15, а также уплотнительные устройства для разобщения полости с газом от полости с жидким теплоносителем (подшипниковые опоры и уплотнительное устройство на фигуре не обозначены).
Устройство для нагрева теплоносителя работает следующим образом.
Сжатый газ подают во входной газовый канал 3. В корпусе 1 турбины потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию, скоростной поток газа оказывает силовое воздействие на ротор 2 турбины, вовлекая его во вращательное движение. При этом кинетическая энергия газа преобразуется в механическую энергию. Механическую энергию через вал 15 и трансмиссию 5 передают на рабочее колесо 7 насоса. Рабочее колесо 7 может иметь различные исполнения, в том числе исполнение в виде лопастного рабочего колеса (как в известных лопастных насосах) или исполнение в виде дискового рабочего колеса (как в известных дисковых насосах). В качестве токопроводящего материала, к примеру, могут использовать алюминиевые, титановые или медные сплавы.
Диск 12 может быть цельным, кроме того, диск 12 может быть выполнен сборным, состоящим из нескольких частей, и эти части могут отличаться геометрическими размерами и типом используемого конструкционного материала.
В процессе циркуляции теплоносителя внутри замкнутого трубопроводного контура 10 плотность теплоносителя может изменяться, например, при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя. Газожидкостная смесь может представлять собой смесь воды и водяного пара при использовании заявляемого устройства в системах подготовки воды или в опреснительных установках. Газожидкостная смесь может представлять собой смесь жидких и газообразных углеводородов при подготовке и при переработке нефти и газа. В качестве теплоносителя можно использовать воду, масло или другие технические жидкости, применяемые в системах теплового снабжения и в теплообменниках.
Рабочее колесо 7 насоса оказывает силовое воздействие на теплоноситель и создает поток теплоносителя. При вращении диск 12 также оказывает силовое воздействие на теплоноситель за счет сил трения, как в известных дисковых насосах. Часть механической энергии, таким образом, преобразуется в гидравлическую энергию с обеспечением циркуляции теплоносителя. Поток направлен от центра рабочего колеса 7 к выходному каналу 9 для теплоносителя, что обусловлено действием центробежных сил при вращении теплоносителя внутри корпуса 6 насоса. От выходного канала для теплоносителя 9 поток отводится во внешний замкнутый трубопроводный контур 10, в который включен потребитель тепловой энергии 11. Далее поток возвращается к входному каналу 8 для теплоносителя, и цикл циркуляции теплоносителя повторяется. При таком движении теплоносителя, как известно, гидравлическая энергия преобразуется в тепловую энергию, что обусловлено наличием гидравлических потерь энергии в местных гидравлических сопротивлениях и потерь на трение при движении теплоносителя в каналах замкнутого трубопроводного контура 10.
За счет вихревых токов обеспечивается нагрев диска 12 из токопроводящего материала. Тепловая энергия передается от диска 12 к теплоносителю, циркулирующему по замкнутому трубопроводному контуру 10. Таким образом, часть механической энергии преобразуется в тепловую энергию за счет вихревых токов в диске 12. Эта часть рабочего процесса не зависит от режима циркуляции теплоносителя, соответственно, эта часть рабочего процесса поддается независимой регулировке, например, за счет изменения числа постоянных магнитов 13 или за счет изменения зазора между магнитом 13 и диском 12.
Число магнитопроводов 14 выбирают в зависимости от частоты крутящего момента на валу 15. Для примера, магнитопровод может быть выполнен кольцевой формы в соответствии с известными техническими условиями - ТУ 14-123-195-2009 «Магнитопроводы. Общие технические условия», где D1 - внутренний диаметр кольцевого магниторовода, a D2-внешний диаметр кольцевого магниторовода. При смещении магнитопровода 14 изменяется значение линейного размера X между магнитопроводом 14 и постоянным магнитом 13. Изменение положения магнитопровода 14 производится при отклонении текущего значения частоты вращения вала 15 от заданного значения.
На фигуре механизм для перемещения магнитопровода 14 (с целью упрощения схемы) не показан. В качестве механизма для перемещения магнитопровода, к примеру, может быть использована компьютеризированная электромеханическая система с обеспечением контроля частоты вращения вала 15.
При больших значениях линейного размера - X между магнитопроводом 14 и постоянными магнитами 13 образуется воздушный зазор, ослабляющий магнитный поток и ослабляющий вихревые токи, что приводит к уменьшению крутящего момента на валу 15. Смещение магнитопровода 14 в направлении к постоянным магнитам 13 при соответствующем уменьшении значения линейного размера X способствует усилению магнитного потока через магнитопровод 14 с соответствующим усилением вихревых токов и крутящего момента на валу 15, тем самым реализуется бесступенчатое регулирование всей системы в целом. При этом турбина может работать в оптимальном режиме, хотя плотность теплоносителя, проходящего через насос, может меняться от плотности жидкой фазы до плотности газообразной фазы при использовании газожидкостной смеси в качестве теплоносителя. При этом постоянство крутящего момента на валу 15 и постоянство частоты вращения вала 15 обеспечиваются за счет бесступенчатого регулирования, а именно за счет корректировки силы магнитного потока, проходящего через постоянные магниты 13, через диск 12 и через магнитопровод 14.
Настоящее техническое решение позволяет повысить эффективность устройства для нагрева теплоносителя при использовании теплоносителя, плотность которого может изменяться в процессе работы, например при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя. В заявляемом техническом решении все совокупности признаков являются существенными, поскольку находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.