ГИДРОГАЗОВЫЙ ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Устройство относится к электроэнергетике и может быть использовано для создания теплоэлектрогенераторов, использующих в качестве основного топлива водород, а в качестве рабочего тела - паромасляную смесь.
Известно устройство, содержащее корпус-нагреватель с камерой горения и водяной рубашкой, блок вентилятора с двигателем, ротором, входным и выходным воздушными патрубками, термоэлектрические модули с возможностью подачи электроэнергии на двигатель блока вентилятора и внешние потребители, при этом, ротор снабжен плоскопараллельными дисками, отделенными от камеры горения герметичной разделительной стенкой с укрепленными на ней и на горизонтальных поверхностях камеры сгорания упомянутыми термоэлектрическими модулями, а со стороны ротора на герметической разделительной стенке выполнены теплосъемные пластины, расположенные в воздушных промежутках между плоскопараллельными дисками [RU 2166702, C1 F24H 6/00, 10.05.2001].
Недостатком устройства является относительно низкий коэффициент полезного действия.
Известно также устройство, содержащее смеситель, подключенный к электроэнергетической системе, электрохимический генератор с водородно-кислородными топливными элементами и соединенные с ним блок хранения криогенного кислорода и цистерну с дистиллированной водой, высокотемпературный реактор, связанный, с одной стороны, через смеситель с блоком хранения криогенного кислорода, цистерной дистиллированной воды и блоком подготовки дизельного топлива и, с другой стороны, через блок циклонных фильтров и охладитель - с блоком паровой конверсии, связанным с цистерной хранения дистиллированной воды и через теплообменник и водоотделитель с установкой выделения водорода, соединенной с электрохимическим генератором, блоком утилизации продуктов риформинга, причем, блок утилизации продуктов риформинга соединен отдельно, а также через блок хранения криогенного кислорода с блоком удаления двуокиси углерода и с блоком паровой конверсии [RU 2381951, C1, B63G 8/08, 20.02.2010].
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность, обусловленная наличием электрохимического генератора с водородно-кислородными топливными элементами и соединенного с ним блоком хранения криогенного кислорода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является автономная энергетическая установка, содержащая тепловой двигатель сгорания углеводородного топлива с газообразным рабочим телом, кинематически связанный с силовым генератором переменного тока, топливный бак, гидравлически связанный с системой подготовки и подачи углеводородного топлива указанного теплового двигателя, узел нагрева жидкого теплоносителя с теплообменным аппаратом для сети теплоснабжения, силовой генератор постоянного тока с регулятором постоянного напряжения, причем, тепловой двигатель сгорания углеводородного топлива с газообразным рабочим телом выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания, кинематически связанного с упомянутым силовым генератором постоянного тока, при этом, узел нагрева жидкого теплоносителя для сети теплоснабжения включает водородно-кислородный электролизер и газовый отопительный котлоагрегат с газовой горелкой на водородно-кислородной газовой смеси, в который встроен указанный теплообменный аппарат, водородно-кислородный электролизер соединен электрической цепью с упомянутым силовым генератором постоянного тока, а выход газового тракта водородно-кислородного электролизера соединен водородно-кислородными газовыми магистралями с указанной системой подготовки и подачи углеводородного топлива двигателя внутреннего сгорания и с газовой горелкой газового отопительного котлоагрегата.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности и относительно узкая область применения, поскольку основным источником энергии является тепловой двигатель сгорания углеводородного топлива с газообразным рабочим телом, что затрудняет ее использование в условиях отсутствия подобного топлива в достаточных объемах. Кроме того, установка обладает относительно низкой экологичностью, поскольку в атмосферу попадают большие объемы продуктов горения углеводородного топлива.
Требуемый технический результат заключается в создании устройства, в котором за счет введения дополнительного арсенала технических средств обеспечивается расширение его функциональных возможностей путем обеспечения генерации тепловой и электрической энергии без использования больших объемов углеводородного топлива, а также повышение экологичности путем сокращения объемов выбросов в атмосферу продуктов горения углеводородного топлива.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее камеру сгорания, соединенную с баллоном сжиженного газа, электрогенератор, установленный над камерой сгорания реактор, выполненный в средней части в виде сопла Лаваля, верхняя часть которого переходит в кавитационную камеру, и снабженный турбиной с турбосопловым аппаратом и вал которой соединен через преобразователь скорости с электрогенератором, емкость с водой и емкость с трансформаторным маслом, соединенные с реактором, первая вытяжная труба, соединенная с камерой сгорания и снабженная теплообменником с подводом холодной воды и отводом горячей воды, вторая вытяжная труба, соединенные с камерой сгорания и снабженная пароперегревателем, пиролизер, соединенный с пароперегревателем и камерой сгорания, центрифуга, соединенная трубопроводом для отвода паромасляных паров с реактором и трубопроводами для отвода отсепарированного масла и отвода отсепарированного водяного пара - с реактором и пароперегревателем, соответственно, центрифуга для очистки масла, соединенная трубопроводом для отвода паромасляных паров с реактором и трубопроводами для отвода отсепарированного масла в обратный масляный контур.
На чертеже представлен предложенный гидрогазовый теплоэлектрогенератор.
Гидрогазовый теплоэлектрогенератор содержит емкость 1 с водой, емкость 2 с трансформаторным маслом, первая вытяжная труба 3, нагнетатель 4, турбосопловый аппарат 5, первый электромагнитный клапан 6, вал 7 турбины, клапан 8 предохранительный, трубопровод 9 отвода паромасляных паров, центрифуга 10, вторая вытяжная труба 11, второй электромагнитный клапан 12, отвод 13 горячей воды, пароперегреватель 14, преобразователь (выпрямитель) 15 тока, третий электромагнитный клапан 16, трубопровод 17 отвода отсепарированногшо масла, трубопровод 18 подвода перегретого пара в пиролизер, пиролизер 19, рабочее колесо 20 турбины, диффузор 21 сопла Лаваля, сопло 22 Лаваля, конфузор 23 сопла Лаваля, трубопровод 24 подвода кислорода в камеру сгорания, трубопровод 25 подвода водорода в камеру сгорания, термоизоляция 26 реактора, реактор 27, форсунки 28 впрыска воды, центрифуга 29 для очистки масла, трубопровод 30 отвода отсепарированного водяного пара, подвод 31 холодной воды в теплообменник, баллон 32 сжиженного газа, форсунка 33 подвода масла, четвертый электромагнитный клапан 34, камера 35 сгорания, пьезозажигалка 36, кавитационная камера 37, обратный масляный контур 38, преобразователь скорости 39, электрогенератор 40, блок 41 аккумуляторных батарей, выполненный с возможностью управления пьезозажигалкой и электромагнитными клапанами в режиме пуска.
В предложенном устройстве камера 35 сгорания соединена с баллоном 32 сжиженного газа, реактор 27 установлен над камерой 35 сгорания и выполнен в средней части в виде сопла 22 Лаваля с диффузором 21 и кнфузором 23 и верхняя часть которого переходит в кавитационную камеру 37.
Кроме того, реактор 27 снабжен турбиной с турбосопловым аппаратом 5 и вал 7 которой соединен через преобразователь 39 скорости с электрогенератором 40.
Устройство содержит также емкость 1 с водой и емкость 2 с трансформаторным маслом, соединенные с реактором, первую вытяжную трубу 3, соединенную с камерой 35 сгорания и снабженную теплообменником с подводом 31 холодной воды и отводом 13 горячей воды потребителю, и вторую вытяжную трубу 11, соединенную с камерой 35 сгорания и снабженную пароперегревателем 14.
В устройстве пиролизер 19 соединен с пароперегревателем 14 и камерой 35 сгорания, центрифуга 10 соединена трубопроводом для отвода паромасляных паров с реактором 27 и трубопроводами для отвода отсепарированного масла 17 и отвода отсепарированного водяного пара 30 - с реактором 27 и пароперегревателем 14, соответственно.
Кроме того, центрифуга 29 для очистки масла соединена трубопроводом для отвода паромасляных паров с реактором и трубопроводами для отвода отсепарированного масла 38 в обратный масляный контур.
Электромагнитные 6, 12, 16 и 34 и предохранительный 8 клапаны включены в соотвествующиеи трубопроводы и их функции раскрываются ниже. Пьезозажигалка 36 соединена с камерой 35 сгорания и предназначена для запуска устройства, блок 41 аккумуляторных батарей с соответствующими элементами управления предназначен для управления клапанами и пьезозажигалкой. Преобразователь 15 тока предназначен для питания пиролизера 19, предназначенного для расщепления пара на водород и кислород.
Устройство снабжено также датчиками давления и температуры, которые на чертеже не показаны.
Работает гидрогазовый теплоэлектрогенератор следующим образом.
В предложенном гидрогазовом теплоэлектрогенераторе в качестве основного топлива используется водород, в качестве рабочего тела - паромасляная смесь, а в качестве основного источника энергии - смесь водорода и кислорода.
Работа гидрогазового теплоэлектрогенератора состоит из трех основных режимов: пуск, рабочий режим и плановая (или нештатная) остановка.
В режиме пуска подается сигнал на четвертый электромагнитный клапан 34 и сжиженный газ из баллона 32 подается в камеру 35 сгорания. После подачи сигнала на пьезозажигалку 36 происходит воспламенение газа в камере 35 сгорания. В результате горения нагревается донная часть реактора 27. Интенсивное горение газа продолжается до тех пор, пока трансформаторное масло, которое заполняет корпус реактора 27 до уровня, закрывающего верхнюю часть лопастного аппарата рабочего колеса 20 турбины, не прогреется до 200°C.
После этого осуществляется переход в рабочий режим. В этом режиме открывается второй электромагнитный клапан 12 и вода из емкости 1 под давлением через форсунки 28 впрыскивается в разогретое масло. В результате пленочного кипения вода превращается в пар, образуя с горячим трансформаторными маслом паромасляную смесь, которая в результате непрерывного объемного расширения образует статическое давление на стенки реактора 27 в области конфузора 23 сопла Лаваля. Нагнетатель 4 обеспечивает подачу паромасляной смеси вверх к диффузору 21 сопла Лаваля. При прохождении участка сужения сопла 22 Лаваля поток паромасляной смеси набирает скорость, увеличивая, тем самым, динамическое давление на лопаточный аппарат рабочего колеса 20 турбины. Ротор турбины начинает вращаться с последовательным увеличением скорости вращения.
В диффузоре 21 сопла Лаваля при расширении паромасляной смеси образуются кавитационные пузыри и каверны, которые охлопываются в кавитационной камере 37, что приводит к дополнительному повышению давления в кавитационной камере 37. Этот процесс частично компенсирует рассеивание тепловой полезной энергии.
Регенерированное активное состояние рабочей смеси позволяет создать дополнительный вращающий момент на валу 7 турбины через турбосопловой аппарат 5, находящийся над рабочим колесом 20 турбины. Верхний уровень турбосоплового аппарата 5 осуществляет первичное разделение рабочей смеси по фракциям: водяной пар-масло. Пар попадает в кавитационную камеру 37 и под давлением перемещается в центрифугу 10, где происходит основное очищение водяного пара от масла. Отжатое масло поступает в обратный масляный контур 38. Фильтрация масла осуществляется центрифугой 29 для очистки масла. Все шлаки утилизируются. Циркуляция масла обеспечивается нагнетателем 4, который размещен на валу ротора турбины. Подпитка контура масла осуществляется автоматически из емкости 2 с трансформаторным маслом.
Водяной очищенный от масла пар поступает в пароперегреватель 14, где, нагреваясь до температуры 500-550°C, попадает в пиролизер 19, в котом под действием сильного электрического поля расщепляется на водород и кислород, которые по трубопроводам 24 и 25, соответственно, подаются в камеру сгорания 35 и сжигаются.
В установившемся рабочем режиме расход сжиженного газа при подаче в камеру 35 сгорания с помощью третьего электромагнитного клапана 34 уменьшают примерно в 20 раз. Электрогенератор 40 соединен с ротором турбины через преобразователь 39 скорости. Часть электроэнергии, выработанной электрогенератором 40, преобразуется в постоянный ток преобразователем 15 и поступает на электроды пиролизера 19. Продукты сжигания водородно-кислородной смеси и природного газа выводятся из камеры 35 сгорания в атмосферу посредством первой 3 и второй 11 вытяжных труб. При этом, в результате теплообмена обеспечивается возможность нагрева и подачи воды потребителям с помощью первой вытяжной трубы 3 и отвода 13 и перегрева водяного технологического пара до 500-550°C с помощью пароперегревателя 14, соединенного со второй вытяжной трубой 11.
В случае нештатного скачка давления в реакторе 27 срабатывает предохранительный клапан 8, а в режиме плановой остановки подается сигнал управления на второй электромагнитный клапан 12 и впрыск воды в реактор 27 прекращается. В результате электрический преобразователь 15 отключает электрическое поле пиролизера 19, что приводит к прекращению генерации водорода и кислорода. Кроме того, с помощью четвертого электромагнитного клапана выключается подача сжиженного газа в камеру сгорания 35. Происходит окончание работы устройства.
Для ускорения процесса прекращения работы устройства с помощью электромагнитного клапана 6 обеспечивается стравливание водяного пара в атмосферу и снижение давления в кавитационной камере 37.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку обеспечивается генерация тепловой и электрической энергии без использования больших объемов углеводородного топлива, и повышении экологичности, поскольку обеспечивается сокращение объемов выбросов в атмосферу продуктов горения углеводородного топлива.