| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2079072
АЛЬТЕРНАТИВНА турбогенераторних ВСТАНОВЛЕННЯ
Ім'я винахідника: Чуркін Рудольф Кузьмич; Чуркін Дмитро Рудольфович
Ім'я патентовласника: Чуркін Рудольф Кузьмич; Чуркін Дмитро Рудольфович
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1994.03.29
Використання: в області теплоенергетики, для виробництва електроенергії як в стаціонарних умовах, так і в суднобудуванні. Суть винаходу: установка містить нижній каскад з вихровим теплогенератором на рідкому середовищі, теплообмінної камерою, випарником, підключеним до джерела низько потенційного тепла, конденсатором і насосом, верхній каскад з відцентровим теплогенератором і електроприводом, встановленими на загальному валу і ув'язненими всередині кільцевого теплообмінника, паровий котел, турбіну з другим конденсатором і електрогенератором. Відцентровий теплогенератор виконаний ізохорним у вигляді герметичного полого ротора, заповненого важким інертним газом, а турбіна встановлена на загальній осі і з'єднана з валом електроприводу електромагнітною муфтою. Електрогенератор виконаний оборотним в загальному корпусі з електроприводом. Конденсатор турбіни поміщений усередині теплообмінної камери нижнього каскаду. Установка може працювати як на звичайному вуглеводневому паливі, так і на низько потенційного тепла навколишнього середовища.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до області теплоенергетики, зокрема до теплонасосної енергетичних установок на базі вихрових і відцентрових теплогенераторів.
Відома каскадний теплонасосная установка [1] містить послідовно з'єднані нижній теплової каскад з вихровим теплогенератором, що працюють на ефекті Ранка-Хільша, теплообмінної кільцевої камерою з рідкої робочим середовищем, випарником, підключеним до джерела тепла низького потенціалу, конденсатором і насосом і верхній каскад зі своїм конденсатором і компресором.
Установка дозволяє нагрівати воду в системах опалення без витрат пального палива, досить проста і технологічна, проте коефіцієнт перетворення електричної енергії в теплову форму в ній недостатньо високий, оскільки не використовується тепло, що виділяється в двигунах насоса і компресора, мала швидкість вихору в трубі і великі дросельні втрати.
Ефективність перетворення в такий теплонасосної установки абсолютно недостатня для її використання в теплових турбогенераторах з позитивним балансом.
Відома і каскадний теплонасосная установка [2] призначена для отримання високопотенційного тепла з низько потенційного і містить послідовно з'єднані каскади з відцентровими компресорами і паровими турбінами, а й стартовий паровий котел, що працює на вуглеводневому паливі.
Ефективність установки трохи вище, ніж у попередньої, за рахунок використання регенеративного теплообміну і більш високого ККД турбіни в порівнянні з вихровий трубою.
Однак ця установка більш складна у виробництві, а її ефективності і недостатньо для вторинного перетворення в електричну енергію через дросельних втрат і перетворенні тепла в роботу.
Відомі і каскадні теплонасосні силові турбогенератори установки [3, 4, 5] містять крім теплонасосних каскадів турбогенератори з паровим котлом, що нагрівається теплом конденсатора.
Однак в цих установках роботи турбіни не вистачає навіть на привід компресора [6] тим більше її зовсім недостатньо для приводу електрогенератора. Причина такої недостатності полягає в тому, що теплові насоси відомих установок працюють за зворотним циклом Карно, що включає послідовно протікають процеси стиснення і розширення в компресорі, розширення в дроселі з притаманними їм незворотними втратами енергії, втратами в трубах. Необоротні втрати енергії на перетворенні тепла в роботу в процесах розширення при постійному тиску (ізобарний процес) досягають 50% і більше. Крім того, ефективність перетворення в парокомпрессионних теплових насосах безпосередньо залежить від верхнього значення температури T 1 і величини теплопод'емніка 
T: 
.
Зі збільшенням теплопод'ема T коефіцієнт перетворення К пр падає. Реальний коефіцієнт перетворення паливного насоса з урахуванням ККД електродвигуна становить всього 1,24-1,59.
При ефективності перетворення тепла в турбіни К тр 0,7 і в електрогенераторі 
г = 0,9 сумарний коефіцієнт перетворення установки складе
K у = K пр. K т. г = 1,24 · 0,7 · 0,9 = 0,8.
Звідси видно, що парокомпресійні теплонасосні турбогенератори установки не забезпечують позитивного балансу енергії, необхідної для забезпечення працездатності.
Для досягнення позитивного сальдо необхідно підвищення ефективності перетворення в теплових насосах як мінімум в 3-4 рази. Парокомпрессионних теплові насоси, що працюють за циклом Карно, такого резерву не мають, потрібні принципово нові рішення.
Такі рішення знайдені авторами на основі відцентрових ізохорно теплогенераторів [7, 8, 9] на важких інертних газах криптоні, ксенон і їх сумішах з домішкою легких буферних теплопровідних газів гелію або водню.
У ізохорно теплогенераторах відсутня перетворення тепла в роботу з властивими йому незворотними втратами енергії, ізохорний відцентровий процес трансформації тепла йде безпосередньо подібно електротрансформаторам, замкнутий круговий цикл не потрібно.
Повністю відсутні дросельні втрати при розширенні робочого середовища, оскільки відсутні клапани, капіляри і вузькі канали.
Процеси стиску і розширення здійснюються в одному постійному обсязі, але в різних його зонах периферійної і осьової, одночасно і за допомогою сильного відцентрового поля, що виконує функцію демона Максвелла.
Передача тепла від холодного джерела до гарячого забезпечується за рахунок радіального температурного відцентрового градієнта: 
де j відцентрове прискорення, 
кутова швидкість,
n число обертів ротора,
V 0 окружна швидкість,
R радіус барабана,
K показник адіабати,
C p теплоємність при постійному тиску,
g 0 прискорення сили тяжіння.
Радіальний відцентровий градієнт ідентичний за характером дії висотному гравітаційному градієнту, виявленому К.Е. Ціолковським і створює характерне для планет висотний розподіл температур в атмосфері [10]
Відцентрові поля можуть бути в 10 5 - 10 6 разів інтенсивніше гравітаційного поля Землі, відповідно до цього будуть вище і значення відцентрового градієнта dT / dR. Висотний гравітаційний градієнт для атмосфери Землі становить dT / dH 6,49 К / км. Радіальний відцентровий градієнт для повітря при j 10 5 g 0 становить 6,49 6,49 х 10 5 Я на / км 649 К / м.
Оскільки радіальний відцентровий градієнт залежить від характеристик газу С р і К, його значення для важких інертних газів аргону, криптону і ксенону вище відповідно в 2, 3 і 4 рази. Розрахунок показує, що при діаметрі ротора 0,5 м і n 30 000 об / хв в криптоні може бути отриманий теплопод'ем АТ 300 К, що цілком достатньо для роботи турбогенератора.
Оцінимо ефективність (коефіцієнт перетворення К пр) відцентрового ізохоричного теплогенератора в активний період розгону.
де: Q вироблене кількість тепла високого потенціалу,
А а витрачена робота в активний період, 
де m маса робочого газу в роторі,
M маса ротора,
I момент інерції ротора.
Звідси 
Підставляючи значення С р для ксенону З р = 0,038 кДж / кг і ставлення m / M = 0,1, отримаємо K апр = 0,4 + 1 = 1,4, т. Е. Коефіцієнт перетворення на рівні компресорних теплогенераторів. Активний період розгону ротора до встановленої величини кутової швидкості становить не більше (5-10)% від загального періоду роботи.
У пасивний період роботи електропривод відключений або працює в холостому режимі, ротор обертається по інерції тому можна прийняти A x = 0,1A a.
тоді 
.
Таким чином, загальний К пр (5-20), незалежно від величини T.
Як бачимо, ефективність перетворення (трансформації) тепла в основному визначається співвідношенням періодів активної роботи (розгону ротора) і обертання пасивного (по інерції), втрат двигуна в холостому режимі роботи, механічних втрат на гальмування ротора в підшипниках, аеродинамічних втрат на вихровий опір при обертанні в атмосфері.
Розрахунок показує, що прогноз Томсона [11] винахідника першого теплового насоса, щодо коефіцієнта перетворення може бути реалізований найближчим часом. Ізохорно теплові насоси дійсно здатні трансформувати тепло низького потенціалу в тепло високого при (3-5)% витрат енергії на пряме опалення. При такій високій ефективності трансформації температурного потенціалу цілком правомірно ставити завдання створення турбогенераторної установки, що працює на теплі навколишнього середовища.
Пропоноване пристрій має на меті створення такої установки, трансформує низькопотенційне тепло з нульовою ексергіей навколишнього середовища (атмосфери, поверхневих і ґрунтових вод) в електричну енергію. Вирішення цього завдання назавжди закриє проблему енергетичного голоду.
Поставлена мета досягається тим, що відцентровий теплогенератор певною установці виконаний ізохорним, у вигляді герметичного полого внутрілопаточного ротора, заповненого важким інертним газом криптоном, ксеноном або їх сумішшю з добавкою теплопровідного буферного гелію або водню, а ротор турбіни встановлений на загальній осі з електроприводом і з'єднаний з ним за допомогою вимикати електромагнітної муфти, при цьому електрогенератор виконаний оборотним в загальному виконанні з електроприводом, паровий котел з'єднаний замикається лінією з теплообмінником верхнього каскаду, а конденсатор турбіни поміщений усередині теплообмінної камери нижнього каскаду.
Крім того, внутрішня порожнина кільцевого теплообмінника верхнього каскаду вакуумована і заповнена гелієм або воднем при тиску не вище 2 кПа, а ведена частина електромагнітної муфти відокремлена від провідної герметичній немагнітної діафрагмою і поміщена всередині вакуумированной порожнини.
Крім того, вихровий теплогенератор нижнього каскаду виконаний самовакуумірующімся з камерою тарельчатой форми, тангенціальним входом з профільованим соплом, осьовим обтічником і двосторонніми осьовими виходами, причому один з них з'єднаний через кільцеву щілину з насосом, а другий з випарником.
Крім того, насос установки виконаний гвинтовим з ведучим і двома відомими гвинтами, встановлений всередині теплообмінної камери нижнього каскаду і з'єднаний з валом приводу за допомогою понижувальної передачі для оптимізації його швидкості.
Крім того, оборотний електропривод-генератор виконаний безколекторним з індукторним комбінованим збудженням на постійних магнітах.
На кресленні представлено пропонований пристрій, поздовжній розріз.
 |
Пристрій містить нижній теплової каскад з вихровим теплогенератором 1, теплообмінної камерою 2 з рідкої робочим середовищем, випарником 3, підключеним до джерела низько потенційного тепла, конденсатором 4 і насосом 5, верхній каскад з відцентровим ізохорним внутрілопаточним теплогенератором 6, з ротором, заповненим важким інертним газом криптоном , ксеноном або їх сумішшю з добавкою легкого теплопровідного газу або водню, електроприводом 7, перемикати на роботу в режимі генератора, укладених усередині кільцевого теплообмінника 8, паровий котел 9, що працює як на вуглеводневому паливі, так і на теплі верхнього каскаду теплогенератора і з'єднаний замикається лінією з теплообмінником, турбіну 10 з другим конденсатором 11, що включається електромагнітну муфту з провідною частиною 12, жорстко пов'язаної з валом турбіни, відомою частиною 13, жорстко пов'язаної з валом електроприводу-генератора і нерухомим індуктором 14. Основна умова роботи генератора обертання ротора з негативним ковзанням, тобто кутовий швидкістю, що перевищує поріг самозбудження. Ротор розганяється до заданої кутової швидкості (30 60) тис. Об / хв. за допомогою електроприводу 7 при вимкненому зчепленні муфти. |
При обертанні ротора електроприводом від мережі обертається насос 5 нижнього каскаду, забирає робочу рідину (наприклад, Хладон-масляну емульсію) з теплообмінної камери 2 і впорскує її під високим тиском (1,5 2,5) МПа через профільоване сопло в вихревую тарілчасту камеру теплогенератора 1. Струмінь рідкої робочої суміші зі швидкістю (400 500) м / с обертається і по сходящейся спіралі спрямовується до вихідних патрубків. Один з патрубків має осьової обтічник-дросель і кільцеву щілину з развіхрітелем навколо нього, через кільцеву щілину нагріта суміш витікає на вхід насоса. Через другий осьовий патрубок випливає переохолоджена суміш і надходить у випарник, підігрівається в ньому теплом низько потенційного джерела і повертається в конденсатор 4, де передає відібране тепло в нижній каскад. Таким чином, нагрів рідкого середовища нижнього каскаду забезпечується за рахунок відцентрового стиснення при обертанні струменя на стінці тарельчатой камери.
Величина теплопод'ема вихрового теплогенератора 
де V 0 окружна швидкість струменя,
K 'показник адіабати робочого середовища нижнього каскаду,
C 'p теплоємність середовища при постійному тиску.
З урахуванням дросельних втрат на вході вихрового теплогенератора і гідравлічних втрат при обертанні відносно нерухомої стінки ефективність перетворення в ньому К пр (4 5), теплопод'ем T становить (80-90) o C. Гідність вихрового теплогенератора нижнього каскаду висока інтенсивність теплопереносу від низько потенційного джерела навколишнього середовища до ізохорно теплогенератору вихрового каскаду, конструктивна і технологічна простота використання, хороша сопрягаемость з ізохорним відцентровим теплогенератором вихрового каскаду.
Вибір гвинтового насоса в якості нагнітача нижнього каскаду обумовлений його високим ККД (більше 80%) в широкій області тисків і витрат, компактністю, працездатністю на маслах і масляних емульсіях, які використовуються в нижньому каскаді [12] Тарілчаста, слабо розходиться до осі форма вихровий камери сприяє самовакуумірованію пріосевой зони, внаслідок чого значно зростає швидкість уприскування струменя, теплопод'ем Т, коефіцієнт перетворення [13]
Далі, при обертанні полого ротора ізохоричного теплогенератора верхнього каскаду заповнює його важкий інертний газ стискається на внутрішній поверхні барабана, а в осьовій зоні створюється глибоке розрідження. Легкий теплопровідний газ (гелій або водень), що входить в якості буферної добавки (5 10%) в робочу суміш, витісняється в осьову зону і забезпечує теплопередачу від вала ротора до важкого робочого газу.
Внутрішні лопатки ротора закручують робочий газ, вирівнюючи кутову швидкість і перешкоджаючи взаємною ковзанню з властивими йому втратами на тертя.
Ступінь стиснення важкого газу щодо середнього значення становить 20 25. В осьовій зоні має місце динамічне розширення газу тієї ж величини.
Відповідно до ізохорним процесом при стисненні газу в пристеночной зоні зростає температура в співвідношенні 
а в осьовій зоні створюється охолодження
В охолоджену осьову зону через осьовий канал вала спрямовується потік тепла від нижнього каскаду з циркулюючої через підшипники змазує рідиною.
Тепло високого потенціалу нагріває зовнішню стінку барабана ротора і знімається з нього випромінюванням, теплопровідністю через кільцевої шар теплопровідного газу і конвекцією, нагріваючи сорочку теплообмінника і циркулює в ньому рідина теплоносія.
Коли температура теплоносія досягає встановленого значення, наприклад (300 400) o C, відкривається клапан в лінії, що зв'язує теплообмінник 8 з паровим котлом 9, і котел починає виробляти пар для турбіни 10.
Турбіна розганяється до заданої кутової швидкості, що перевищує швидкість електроприводу, при вимкненому електромагнітної муфті.
Після досягнення стійкого режиму обертання турбіни муфта плавно включається і турбіна з холостого режиму переходить на робочий режим обертання навантаження. Електропривод від мережі не відключається і плавно переходить у генераторний режим роботи. Значне перевищення дебету теплової енергії в ізохоричному теплогенераторі над незворотними втратами в турбогенераторі 14, регенерація тепла за допомогою конденсатора 11 зводять до мінімуму втрати і гарантують позитивне сальдо в енергетиці турбогенераторної установки, на це ж направлено виконання електроприводу безколекторним з комбінованим збудженням.
Таким чином, установка дозволяє працювати в альтернативних режимах, т. Е. На звичайному вуглеводневому паливі при його спалюванні в топці парового котла 9 і на низько потенційного тепла навколишнього середовища, зокрема на теплі річковий або океанської води.
Установка може бути використана як в стаціонарних умовах електростанції, так і в якості транспортабельної силовий енергосистеми, наприклад в суднобудуванні.
Запропоноване рішення виконує поставлене завдання.
Техніко-економічний ефект пристрою полягає в забезпеченні можливості використання в силовій енергетиці невичерпних, екологічно чистих джерел низькопотенційної теплової енергії навколишнього середовища (атмосфери, океану та ін.).
До вирішення цього завдання енергетики прагнули протягом 150 років з часу створення перших теплових насосів. Класична термодинаміка вважала її нерозв'язною. І лише нелінійна термодинаміка [15] узаконила постановку такого завдання.
Альтернативність установки, тобто можливість переходу на роботу зі звичайним вуглеводневим паливом (газом, мазутом) дозволяє при необхідності різко збільшувати вироблену потужність і задовольняти пікові навантаження, виробляти енергію при найбільш несприятливих погодних умовах в зимовий сезон.
При спільній роботі на вуглеводневому паливі і теплі навколишнього середовища істотно зростає економічність роботи установки, перевищуючи досяжну в циклі Карно.
У той же час при перебоях в постачанні паливом установка здатна до переходу на цілком автономний режим роботи на низько потенційного тепла навколишнього середовища.
Основні вихідні принципи пристрою, працездатність вихрового теплогенератора на рідкому середовищі і відцентрового ізохоричного теплогенератора підтверджені експериментально.
Загальна ефективність (коефіцієнт перетворення) установки складається з ефективності кожного з каскадів і окремих агрегатів і елементів, а й завантаження кожного з них.
Основний внесок в енергетику установки забезпечує верхній каскад, який має високу ефективність (K він 
18) .. Інтегральна ефективність, що враховує втрати в вихровому генераторі і гвинтовому нагнітачі (насосі), в турбогенераторі може становити К пр (8 10).
Але і такий ефективності цілком достатньо для практичних цілей енергетики. Є можливість подальшого вдосконалення.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Альтернативна турбогенераторних установка, що містить нижній теплової каскад і встановлені в ньому конденсатор і випарник, підключений до джерела низько потенційного тепла, і приєднаний до нижнього каскаду верхній теплової каскад, в якому встановлені відцентровий теплогенератор з електроприводом, турбіна і теплообмінник, що відрізняється тим, що нижній теплової каскад забезпечений вихровим теплогенератором, насосом і теплообмінної камерою з рідкої робочим середовищем, верхній теплової каскад забезпечений паровим котлом, що працює на вуглеводневому паливі, другим конденсатором, підключеним до турбіни, і електрогенератором, при цьому теплообмінник виконаний кільцевим, відцентровий теплогенератор і електропривод встановлені на загальному валу і располажени всередині кільцевого теплообмінника, відцентровий теплогенератор виконаний з постійним об'ємом робочої середовища у вигляді герметичного полого внутрілопаточного ротора, заповненого важким інертним газом або сумішшю інертних газів з домішкою теплопровідного буферного гелію, ротор турбіни встановлений на загальній осі з електроприводом і з'єднаний з ним за допомогою вимикати електромагнітної муфти, електрогенератор виконаний оборотним в суміщеному виконанні з електроприводом, паровий котел з'єднаний замикається лінією з теплообмінником верхнього каскаду, а другий конденсатор поміщений усередині теплообмінної камери.
2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що внутрішня порожнину кільцевого теплообмінника верхнього каскаду вакуумована і заповнена гелієм при тиску не вище 2 кПа, а ведена частина електромагнітної муфти відокремлена від провідної герметичній немагнітної діафрагмою і поміщена всередині вакуумированной порожнини теплообмінника, при цьому в як важких інертних газів використані ксенон і криптон.
3. Установка по пп. 1 і 2, що відрізняється тим, що вихровий теплогенератор нижнього каскаду забезпечений развіхрітелем, камерою тарельчатой форми з тангенціальним входом з профільованим соплом, осьовим обтічником і двосторонніми осьовими виходами і виконаний самовакуумірующімся, причому один вихід з'єднаний через развіхрітель і кільцеву щілину навколо осьового обтічника з насосом, а другий безпосередньо з випарником.
4. Установка по пп. -1 3, яка відрізняється тим, що насос виконаний гвинтовим з ведучим і двома відомими гвинтами, встановлений всередині теплообмінної камери нижнього каскаду і з'єднаний з валом електроприводу за допомогою понижувальної передачі.
5. Установка по пп. 1 4, яка відрізняється тим, що оборотний електропривод-генератор виконаний безколекторним з індукторним збудженням на постійних магнітах.
Версія для друку
Дата публікації 30.12.2006гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.