Парогазовая теплонасосная силовая установка

 

Изобретение предназначено для использования в энергетике. Парогазовая теплонасосная силовая установка содержит газотурбинный двигатель со свободной турбиной, замкнутый паросиловой контур, заполненный жидкой парообразующей средой, с парогенератором, паровой турбиной, конденсатором, конденсатным насосом с центробежным колесом и тепловой насос с вращающимся ротором. Установка дополнительно содержит рекуперативный теплообменник, регулируемый рециркуляционный контур и регулируемый по частоте и глубине пульсаций модулятор давления ультразвуковой частоты, резонансной по отношению к парообразующей жидкой среде. Установка позволяет значительно увеличить коэффициент преобразования энергии и обеспечить экономию топлива за счет полного использования тепловых отходов от сжигания в газовой турбине и инжекции энергии окружающей среды. 3 ил.

Изобретение относится к судовым, а также к водо-, нефте- и/или газоперекачивающим газотурбинным установках на особых рабочих телах, а также к силовым системам, использующим тепловые насосы.

Известна парогазовая силовая установка, включающая газотурбинный двигатель со свободной турбиной, замкнутой паросиловой контур, заполненный жидкой парообразующей средой, с парогенератором, паровой турбиной, конденсатором, конденсатным насосом и центробежным рабочим колесом и тепловым насосом с вращающимся ротором (1).

Известная парогазовая силовая установка имеет более высокий КПД и коэффициент преобразования в сравнении с установками, не имеющими тепловых насосов. Однако известная установка не использует тепло отработанного (мятого) пара, которое теряется в конденсаторе, а также практически не вовлекает в рабочий процесс энергию окружающей среды.

Изобретение имеет своей целью устранить указанные недостатки и повысить коэффициент преобразования установки свыше 1,0 за счет утилизации тепловых хвостов паровой турбины и привлечения энергии окружающей среды.

Поставленная цель достигается в изобретении тем, что замкнутый паросиловой контур дополнительно снабжен рекуперативным теплообменником, регулируемым рециркуляционным контуром и регулируемым по частоте и глубине пульсаций модулятором давления ультразвуковой частоты, резонансной по отношению к парообразующей жидкой среде, дополнительно деаэрирован и насыщен тяжелым инертным газом, при этом модулятор выполнен, например, в виде кольцевой щелевой решетки и установлен на выходе центробежного колеса конденсатного насоса.

Кроме того, замкнутый паросиловой контур насыщен аргоном, криптоном или их смесью при избыточном давлении до 0,6 МПа, а в качестве парообразующей среды использованы водоспиртовые растворы.

Кроме того, центробежное колесо насоса дополнительно снабжено укороченными вихревыми лопатками переменной длины с каналами, выполненными в виде конфузоров.

Кроме того, тепловой насос выполнен в виде наполненного газовой или парообразующей средой вращающегося сосуда обтекаемой асимметричной формы и дополнительно снабжен внутренним рециркуляционным контуром, образованным конической разделительной перегородкой, и мультипликатором угловой скорости.

Кроме того, мультипликатор угловой скорости закрыт дополнительным кожухом, формирующим газовый поток после свободной турбины, направляющим его на вращающийся сосуд и образующим переднюю опору вращения.

Предлагаемая установка схематически показана на фиг. 1, принципиальная схема.

На фиг. 2 схематично показано устройство теплового насоса с вращающимся ротором и входной участок парогенератора.

На фиг. 3 схематично показаны осевой разрез и поперечное сечение центробежного колеса конденсатного насоса вместе с кольцевой щелевой решеткой - модулятором импульсов давления.

Представленная силовая установка включает в себя газотурбинный двигатель 1 со свободной турбиной 2, замкнутый паросиловой контур, заполненный жидкой парообразующей средой, например водоспиртовым раствором - антифризом и насыщенный под избыточным давлением до 0,6 МПа тяжелым инертным газом аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью, с парогенератором 3, выполненным в виде осесимметричного трубчатого теплообменника, паровой турбиной 4, конденсатором 5, охлаждаемым внешней средой, бессальниковым конденсатным насосом 6 с центробежным колесом 7, тепловой насос с мультипликатором угловой скорости 8 и вращающимся ротором 9, выполненным, например, в виде вращающегося с высокой угловой скоростью обтекаемого асимметричного относительно среднего сечения сосуда с внутренними замкнутыми газо- или паронаполненными полостями, образующими два рециркуляционных контура с коническими или криволинейными разделительными перегородками 15.

На напорной линии конденсатного насоса установлен рекуперативный теплообменник 10, обогреваемый отработанным (мятым) паром с выхода паровой турбины, и образован регулируемый рециркуляционный контур 11 с регулятором 12. В корпусе конденсатного насоса соосно с центробежным колесом и на его выходе установлена кольцевая щелевая решетка 13, образующая модулятор импульсов давления.

На выходе паровой турбины выполнена также вторая регулировочная линия сброса отработанного пара с паровой задвижкой 14.

В парогенераторе греющие трубы 16 установлены на его внешнем диаметре в зоне горячих выхлопных газов, омывающих наружную нагретую оболочку вращающегося сосуда. Холодные выхлопные газы выбрасываются через приосевой коаксиальный канал 17.

Центробежное колесо конденсатного насоса выполнено симметричным с двусторонним входом, основными лопастями 18, дополнительными укороченными "вихревыми" лопатками 19 переменной длины, расположенными между основными и образующими каналы 20 в форме конфузоров.

В кольцевой решетке образованы щелевые отверстия - пазы 21, параллельные каналам колеса или выполненные под углом к ним, с перегородками 22, образующими расходящиеся каналы.

Количество каналов в решетке выбирается из расчета: п к ф = Ф, где: п - количество каналов колеса, к - количество каналов решетки, ф - частота вращения колеса, Гц, Ф - резонансная частота возбуждения парообразующей жидкости, Гц.

Резонансная частота возбуждения Ф определяется опытным путем, например 25 5 КГц для воды (2).

Пример: п = 22, к = 25, ф = 50 Гц, Ф = 22 25 50 = 27500 Гц для воды.

Установка работает следующим образом.

Газотурбинный двигатель 1 своим газовым потоком вращает свободную турбину 2. Выхлопные газы с выхода турбины поступают в парогенератор 3, нагревают и доводят до кипения парообразующую жидкость, заключенную в паросиловом контуре.

Пар из парогенератора поступает в паровую турбину 4, вращает ее и передает на общий вал дополнительный крутящий момент.

Отработанный (мятый) пар через выпускную линию с задвижкой 14 поступает в конденсатор 5, омываемый холодной средой, и конденсируется в нем. Конденсат откачивается насосом 6 и нагнетается обратно в парогенератор. Введенный вновь рекуперативный теплообменник 10 обеспечивает предварительный подогрев конденсата низкопотенциальным теплом мятого пара с выхода паровой турбины 4. Расход мятого пара на теплообменник 10 регулируется паровой задвижкой 14. Дополнительный нагрев конденсата обеспечивается параметрическим возбуждением жидкости ультразвуковыми импульсами резонансной частоты, например 25 5 КГц для воды, генерируемыми модуляцией потока с выхода центробежного колеса кольцевой щелевой решеткой 13.

При перекрытии каждого канала колеса перемычкой решетки поток резко затормаживается и в корпусе насоса возбуждается импульсная ударная волна высокого давления (до нескольких десятков МПа).

На одном канале решетки за 1 оборот колеса возбуждается п импульсов высокого давления. На к каналах решетки за оборот колеса возбуждается п к импульсов давления, а за 1 с - п к ф импульсов, соответствующих ультразвуку.

При совмещении каналов колеса и решетки открывается выход насоса, давление насоса и ударной волны сбрасывается, и в парообразующей жидкости возникают пузырьки кавитации. Пузырьки расширяются с большой скоростью, давление в них падает ниже давления жидкости на входе в насос и в них происходит десорбция тяжелого инертного газа, насыщающего жидкость. При расширении пузырьков падает не только давление, но и температура газа, причем до уровня ниже температуры окружающей среды. Поток низкопотенциального тепла окружающей среды устремляется в жидкость, передавая ей дополнительную энергию.

При повторном схлопывании пузырьков давление в них резко возрастает, температура поднимается до нескольких тысяч градусов, газ снова растворяется в жидкости и передает ей свою энергию, нагревая ее до кипения уже на входе в парогенератор.

Резонансная частота ультразвуковых импульсов способствует более быстрой и малоэнергоемкой раскачке молекулярных комплексов воды или водных растворов и быстрый нагрев. Применение тяжелых инертных газов с малой теплоемкостью и высоким коэффициентом адиабаты позволяет обеспечить нагрев до более высоких температур при прочих равных условиях возбуждения. Инерционные (центробежные) силы, создаваемые центробежным колесом насоса и ударной волной при схлопывании пузырьков кавитации, обеспечивают свой дополнительный вклад в энергетику процесса нагрева жидкой парообразующей среды, не связанный с теплопередачей через стенки конструкции.

Совместная инжекция энергии окружающей среды позволяет увеличить коэффициент преобразования системы до 8 - 10, обеспечивая высокую экономию топлива на ее работу.

Дополнительная экономия энергии топлива и повышение коэффициента преобразования обеспечивается за счет повышения эффективности теплового насоса 9 с вращающимся ротором в виде газонаполненного сосуда с мультипликатором угловой скорости 8.

Введение дополнительных конических или наклонных криволинейных разделительных перегородок 15 обеспечивает независимую рециркуляцию газа в газонаполненных оболочках вращающегося сосуда под действием центробежной силы и более интенсивный теплоперенос от приосевой зоны ротора к внешней периферийной, в которой расположены греющие поверхности парогенератора. Направляющий и формирующий кожух 12 улучшает аэродинамику выхлопного газового потока, защищает мультипликатор от прямого воздействия горячих выхлопных газов и кроме того создает опору вращения ротора, освобождая осевой канал парогенератора.

Таким образом устройство обеспечивает выполнение поставленной цели, существенно повышая коэффициент преобразования установки.

Выполнение центробежного колеса симметричным с двусторонним входом на крыльчатку 23, закрытую крышками 24, обеспечивает уравновешенную осевую нагрузку на колесо и вал его устойчивость к воздействию высоких знакопеременных импульсных давлений. Корпус насоса выполняется разъемным в осевой плоскости из коррозийно-устойчивой стадии.

Подстройка модулятора на резонансную частоту осуществляется управлением угловой скоростью центробежного колеса насоса путем изменения числа оборотов общего вала паровой турбины или отдельно вала насоса через собственный вариатор скорости (на схеме не показан).

Управление глубиной модуляции импульсов давления обеспечивается плавным перемещением (по стрелке на фиг. 3) щелевой решетки 13 путем изменения сечения проходных каналов.

Использованные источники информации: 1. Патент РФ N 2053378, F 01 K 23/10, 1996.

2. Патент РФ N 2065127, F 24 H 3/00, 1996.

Формула изобретения

1. Парогазовая теплонасосная силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель со свободной турбиной, замкнутый паросиловой контур, заполненный жидкой парообразующей средой, с парогенератором, паровой турбиной, конденсатором, конденсатным насосом с центробежным рабочим колесом и тепловым насосом с вращающимся ротором, отличающаяся тем, что замкнутый паросиловой контур дополнительно снабжен рекуперативным теплообменником, регулируемым рециркуляционным контуром, и регулируемым по частоте пульсаций и их глубине модулятором давления ультразвуковой частоты, резонансной по отношению к парообразующей жидкой среде, дополнительно деаэрирован и насыщен тяжелым инертным газом, при этом модулятор выполнен, например, в виде кольцевой щелевой решетки и установлен на выходе центробежного колеса конденсатного насоса.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что замкнутый паросиловой контур насыщен аргоном, криптоном или их смесью при давлении до 0,6 МПа, а в качестве парообразующей среды использованы водоспиртовые растворы.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что центробежное колесо дополнительно снабжено укороченными вихревыми лопатками переменной длины с каналами, выполненными в виде конфузоров.

4. Установка по пп. 1-3, отличающаяся тем, что тепловой насос выполнен в виде наполненного газовой или парообразующей средой вращающегося сосуда обтекаемой асимметричной формы и дополнительно снабжен внутренним рециркуляционным контуром, образованным конической разделительной перегородкой, и мультипликатором угловой скорости.

5. Установка по пп. 1-4, отличающаяся тем, что мультипликатор угловой скорости закрыт дополнительным кожухом, формирующим газовый поток после свободной турбины, направляющим его на вращающийся сосуд и образующим переднюю опору вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3