МУЛЬТИТЕПЛОТРУБНАЯ ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С КАПИЛЛЯРНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в механическую.

Известен коаксиальный мультитеплотрубный двигатель, который содержит последовательно расположенные испарительную, рабочую и конденсационную камеры, соединенные между собой через кольцевые уплотнения, причем испарительная и конденсационная камеры состоят из вертикальных испарительных и конденсационных гильз, внутренняя боковая поверхность которых покрыта тонкими полосами пористого материала, образующими между собой канавки, а торца - решеткой из таких же полос, крышка сепарационной секции испарительной камеры покрыта полосами того же пористого материала, поверхность боковых стенок покрыта фитилем, в ней расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы и каплеотбойник, днище цилиндрической распределительной секции конденсационной камеры покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами вертикальные конденсационные гильзы, в центре фитиля расположен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательный насос, соединенный с осью силовой турбины и распределительным коллектором в испарительной камере, а внутри рабочей камеры устроены коаксиально силовые турбины [Патент РФ №2379526, F01K 25/00, F28D 15/02, 2010].

Основными недостатками известного коаксиального мультитеплотрубного двигателя являются соединение камер между собой через кольцевые уплотнения, что ограничивает величину давления пара, при котором работает устройство и снижает его герметичность, невозможность размещения испарительной и конденсационной камер на удалении друг от друга, что ограничивает область применения устройства и, в конечном итоге, уменьшают его надежность и эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является паротурбинная мультитеплотрубная установка, содержащая расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которых покрыты решеткой из полос пористого материала, причем вверху сепарационной секции расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, а снизу помещен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок соединенный с патрубком входа пара рабочей камеры, выполненной в виде корпуса силовой турбины, внутри которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, соединенный снаружи с рабочим органом, патрубок выхода пара соединен с входным патрубком крышки распределительной секции конденсационной камеры, днище которой покрыто массивом фитиля с отверстиями и выполнено также с отверстиями, к которым присоединены открытыми торцами, вертикальные конденсационные гильзы, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала, соединенной с массивом фитиля, причем в центре массива фитиля устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками, в котором помещен питательный насос, вал которого соединен коаксиально с валом колеса силовой турбины, а напорный патрубок соединен с распределительным коллектором испарительной камеры [Патент РФ №2449134, F01K 25/00, F28D 15/02, 2012].

Основным недостатком известной паротурбинной мультитеплотрубной установки является необходимость создания значительной поверхности теплопередачи в конденсационной камере и расход большого количества холодной среды с низкой (по сравнению с горячей средой) температурой, что влечет за собой усложнение конструкции устройства, ограничение диапазона его применения и, таким образом, снижает его надежность и эффективность.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности мультитеплотрубной паротурбинной установки с капиллярным конденсатором.

Технический результат достигается в мультитеплотрубной паротурбинной установке с капиллярным конденсатором, содержащей расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру, состоящую из вертикальных испарительных гильз, соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции, внутренняя поверхность которых покрыта решеткой из полос пористого материала, вверху испарительной камеры расположен распределительный коллектор, снабженный форсунками, размещенными в центре входа в испарительные гильзы, снизу испарительной камеры помещен каплеотбойник, под которым устроен паровой патрубок; рабочую камеру, соединенную с паровым патрубком и снабженную патрубком выхода пара, внутри которой помещено колесо силовой турбины, насаженное на вал, соединенный снаружи с рабочим органом; конденсационную камеру, соединенную с вышеупомянутым патрубком выхода пара, в центре конденсационной камеры устроен цилиндрический резервуар с перфорированными стенками и питательным насосом, вал насоса соединен коаксиально с валом колеса силовой турбины, а напорный патрубок насоса соединен с распределительным коллектором испарительной камеры, при этом днище конденсационной камеры покрыто капиллярным конденсатором, состоящим из уложенных друг на друга перфорированных листов - зоны конденсации, и отдельного слоя пористого лиофильного материала - конденсатного коллектора, перфорированные листы зоны конденсации уложены с зазором между собой, покрыты слоем лиофильного материала или изготовлены из него, отверстия в них выполнены в виде конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущего листа располагаются против больших отверстий конических капилляров последующего листа, большие отверстия конических капилляров обращены в сторону распределительную секции, в последнем перфорированном листе малые отверстия конических капилляров соприкасаются с пористым материалом конденсатного коллектора, уложенного на внутреннюю поверхность днища конденсационной камеры, в центре капиллярного конденсатора устроено цилиндрическое отверстие, в котором помещены ограничительное кольцо, закрывающее зону конденсации, транспортное кольцо, выполненное из лиофильного пористого материала, соединенное с лиофильным пористым материалом конденсатного коллектора, покрытое цилиндрической обоймой с перфорированными стенками, образующей цилиндрический резервуар.

На фиг. 1 представлен общий вид, на фиг. 2 - разрез, 3-5 - узлы предлагаемой мультитеплотрубной паротурбинной установки с капиллярным конденсатором (МТТПТУКК).

МТТПТУКК содержит: расположенные по ходу движения пара: испарительную камеру 1, состоящую из вертикальных испарительных гильз 2, внутренняя боковая поверхность и торцы которых покрыты решеткой из полос пористого материала 3, и соединенных открытыми торцами с крышкой сепарационной секции 4, внутренняя поверхность крышки, боковых стенок и конусного днища которой, покрыта решеткой из полос пористого материала 3, причем вверху секции 4 расположен распределительный коллектор 5, снабженный форсунками 6, размещенными в центре входа в испарительные гильзы 2, а снизу размещен каплеотбойник 7, выполненный в виде вогнутого перфорированного щита, под которым устроен паровой патрубок 8; рабочую камеру 9, выполненную в виде корпуса силовой турбины 10, снабженную патрубком входа пара высокого давления 11, через который она соединяется трубопроводом (на фиг.1-5 не показан) с паровым патрубком 8 испарительной камеры 1, и патрубком выхода отработавшего (мятого) пара 12, внутри которой помещено колесо силовой турбины 13, насаженное на вал 14, соединенный снаружи с рабочим органом (на фиг.1-5 не показан); конденсационную камеру 15, состоящую из распределительной секции 16, крышка которой снабжена входным патрубком отработавшего пара 17, жестко соединенным с патрубком выхода отработавшего пара 12, а днище покрыто капиллярным конденсатором 18, который состоит из уложенных друг на друга нескольких перфорированных листов 19, образующих зону конденсации 20, и слоя пористого лиофильного материала, образующего конденсатный коллектор 21. Перфорированные листы 19 зоны конденсации 20 уложены с зазором 22 между собой, покрыты слоем лиофильного материала 23 или изготовлены из него, большая часть отверстий в них выполнены в виде конических капилляров 24, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров 24 предыдущего листа 19 располагаются против больших отверстий конических капилляров 24 последующего листа 19, при этом большие отверстия конических капилляров 24 первого листа 19 обращены в распределительную секцию 16, в последнем листе 19 малые отверстия конических капилляров 24 соприкасаются с пористым материалом конденсатного коллектора 21, уложенного на внутреннюю поверхность днища конденсационной камеры 15, причем в центре капиллярного конденсатора 18 устроено цилиндрическое отверстие 25, в котором помещены ограничительное кольцо 26, закрывающее зону конденсации 20, транспортное кольцо 27, выполненное из лиофильного пористого материала, соединенное с лиофильным пористым материалом конденсатного коллектора 21, покрытое цилиндрической обоймой с перфорированными стенками 28, образующей цилиндрический резервуар 29, в котором помещен питательный насос 30, ротор которого насажен на вал 31, пропущенный через крышку конденсационной камеры 15 коаксиально валу 14 колеса 13 силовой турбины, и жестко соединенный с ним, а напорный патрубок 32 соединен трубопроводом (на фиг.1-5 не показан).

Предлагаемый МТТПТУКК работает следующим образом. Предварительно прикрепляют к неподвижным опорам (на фиг.1-5 не показаны) корпус силовой турбины 10 рабочей камеры 9, которую через патрубок 11, трубопровод (на фиг.1-5 не показан) соединяют с патрубком 8 испарительной камеры 1, а с конденсационной камерой 15, обеспечивая жесткое коаксиальное соединение валов 14 и 22, соединяют через патрубки 12 и 17, причем напорный патрубок 22 конденсационной камеры 15 также соединяют трубопроводом (на фиг.1-5 не показан) с коллектором 5 испарительной камеры 1, а выходной торец вала 14 колеса силовой турбины 13 присоединяют к рабочему органу (электрогенератору, насосу, компрессору и т.д.).

Перед началом работы из камер 1, 9, 15 МТТПТУКК удаляют воздух и заполняют фитиль 18, пористый материал решеток 3, цилиндрический резервуар 29, полость питательного насоса 30, напорный трубопровод (на фиг.1-5 не показан) и коллектор 5 рабочей жидкостью, которую выбирают в зависимости от температуры горячей среды и технологических характеристик капиллярного конденсатора 18 (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости (на фиг.1-5 не показаны), после чего МТТПТУКК устанавливают таким образом, чтобы испарительная камера 1 контактировала с горячей средой, а конденсационная камера 15 - с холодной.

В результате нагрева испарительных гильз 2 испарительной камеры 1 происходит испарение рабочей жидкости с внутренней поверхности испарительных гильз 2, которая подается через коллектор 5 и форсунки 6 под давлением, создаваемым насосом 30, величина которого определяет рабочее давление пара в испарительной камере 1 и разбрызгивается по внутренней поверхности испарительных гильз 2, причем пористый материал решетки 3 предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки и, таким образом, интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.22], образуется пар с давлением, равным давлению, развиваемому питательным насосом 30, который, проходя через каплеотбойник 7, освобождается от уносимых капель рабочей жидкости, которые отбрасываются на пористый материал решетки 3, поглощающий эти капли и снова транспортирующий их в зону испарения. Очищенный пар поступает через патрубок 8, трубопровод (на фиг.1-5 не показан) и патрубок 11 в корпус 10 рабочей камеры 9 на лопатки колеса силовой турбины 13, вращает их, сообщает вращательное движение валам 31 и 14 и, соответственно, ротору питательного насоса 30 и вращающий момент М рабочего органа, в результате чего питательный насос 30 перемещает рабочую жидкость и создает требуемое давление в ней, а рабочий орган производит полезную работу. В полости корпуса 10 рабочей камеры 9 происходит изоэнтропное теплопадение пара с одновременным снижением его температуры и давления [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.331], после чего отработавший мятый пар поступает через патрубки 12 и 17 в конденсационную камеру 15, давление в которой значительно меньше, чем в испарительной камере 1. В конденсационной камере 15 процесс конденсации пара осуществляется в капиллярном конденсаторе 18, в основу работы которого положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара [Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978, с.365, 366; Ежов B.C. Снижение расхода охлаждающей воды на конденсацию отработавшего пара турбин. Промышленная энергетика. №8, 2013. С.25-27]. Пар при температуре, близкой к температуре насыщения, поступает в большие отверстия конических капилляров 24 первого листа 19 капиллярного конденсатора 18, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q_r1. Мениски образовавшейся жидкости в капиллярах 24 соприкасаются с лиофильным материалом 23, распределяются на его поверхности, благодаря зазорам 22 и поверхности слоя лиофильного материала 23 следующего листа 19, откуда попадают в большие отверстия его капилляров 24, куда также поступает несконденсировавшийся пар из предыдущего листа 19. В больших отверстиях конических капилляров 24 происходит частичное испарение образовавшейся жидкости в конических капиллярах 24, на которое используется тепло конденсации Q_r1 предыдущего листа 19 и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 24, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q_r2. Образовавшаяся жидкость, как и в первом листе 19, распределяется по поверхности лиофильного материала 23 в зазорах 22 следующего листа 19, смешивается с несконденсировавшимся паром, поступающим из конических капилляров 24 предыдущего листа 9 и процесс повторяется аналогично вышеописанному во всех последующих листах 19. Количество конденсата, транспортируемого с паром по коническим капиллярам 24 листов 19, увеличивается по мере перемещения от одного листа 19 к другому, а количество пара, соответственно, уменьшается. Аналогично этому количество тепла конденсации Q_ri также уменьшается по мере перемещения парожидкостной смеси от одного листа 9 к другому, так как энергия большей части этого тепла тратится на создание поверхности жидкости на гидрофильной поверхности 23 листов 19, капиллярных сил, взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 24. В результате многократного повторения вышеописанных процессов в конденсационной зоне 20 капиллярного конденсатора 18 тепло конденсации отработавшего пара, поступающего в конденсационную камеру 15, тратится на проведение этих процессов испарения и конденсации, а сам процесс конденсации пара в капиллярном конденсаторе 18 происходит без использования хладоагента (холодной среды). По мере перемещения парожидкостной смеси от одного листа 19 к другому влагосодержание ее увеличивается и при достижении последнего листа 19 по ходу пара конденсат из малых отверстий конических капилляров 14 распределяется по порам лиофильного пористого материала конденсатного коллектора 21, транспортного кольца 27, выполненного также из лиофильного пористого материала, откуда за счет капиллярных сил и под действием сил тяжести через отверстия в цилиндрической перфорированной обойме 28 поступает в цилиндрический резервуар 29, откуда конденсат (рабочая жидкость) питательным насосом 30 через напорный патрубок 32 и трубопровод (на фиг.1-5 не показан) подается в коллектор 6 и форсунки 7 испарительной камеры 1, где происходит вышеописанный процесс испарения и цикл повторяется.

Количество листов 19 в капиллярном конденсаторе 18 принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию всего отработавшего пара, поступившего в конические капилляры 24. Удельное количество (n), диаметр и длину (толщину листов 19) конических капилляров 24 (d и 1), ширину зазора 22 Δ между пластинами 19 определяют опытным путем. Толщину коллектора конденсата 21 (δ) определяют из условий поглощения всего образовавшегося конденсата также опытным путем. Лиофильный материал 23 выбирается из условий его сродства к конденсату отработавшего пара.

Таким образом, устройство мультитеплотрубной паротурбинной установки с капиллярным конденсатором обеспечивает снижение удельного расхода металла на создание теплообменных поверхностей и упрощение ее конструкции за счет отсутствия конденсационных гильз в конденсационной камере, возможность ее работы без использования холодной среды (хладоагента), что упрощает конструкцию устройства и увеличивает диапазон его применения и, в конечном итоге, повышает его надежность и эффективность.