Агрегат для использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела и способ использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела.

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ АГРЕГАТ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА(71) Заявители Левков Леонид Федорович Левков Кирилл Леонидович(72) Авторы Левков Леонид Федорович Левков Кирилл Леонидович(73) Патентообладатели Левков Леонид Федорович Левков Кирилл Леонидович(57) 1. Агрегат для использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела,содержащий расширительную турбомашину, включающую кожух с расположенным в нем рабочим колесом с лопатками, установленным на валу, связанном с валом потребителя вырабатываемой механической энергии, патрубки подвода газообразного рабочего тела,снабженные блоками сопел, подводящими газообразное рабочее тело к лопаткам рабочего колеса, и патрубками отвода газообразного рабочего тела, отличающийся тем, что расширительная турбомашина заключена в корпус, снабженный патрубками подвода и отвода теплоносителя, а между корпусом и кожухом расположены в виде спирали каналы,образующие теплообменник, каждые полвитка которых расположены по обеим сторонам рабочего колеса, при этом один их конец снабжен блоком сопел. 10032 1 2007.12.30 2. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что каналы расположены в виде, по меньшей мере, двух спиралей. 3. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что потребитель вырабатываемой механической энергии расположен внутри корпуса. 4. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что содержит средство регулирования расхода рабочего тела. 5. Способ использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела, осуществляемый в агрегате по одному из пп. 1-4, при котором неоднократно расширяют газообразное рабочее тело при одновременном понижении его давления, температуры и отводят вырабатываемую при этом механическую энергию, при этом после каждого расширения газообразного рабочего тела осуществляют его принудительный нагрев или охлаждение теплоносителем в теплообменнике, расположенном непосредственно внутри корпуса агрегата. Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования энергии перепада давления источника газообразного рабочего тела (природного или иного газа, водяного или иного пара и т.п.) для выработки механической и тепловой энергии в устройстве, предназначенном для этих целей. Известны осевые одноколесные турбины, в которых при одной ступени расширения пара производится преобразование кинетической энергии в нескольких рабочих решетках. В турбине движение пара происходит с трехкратным протеканием пара через одну и ту же рабочую решетку колеса 1. Недостатком этого технического решения является то, что в случае необходимости теплообмен возможен только в выносных теплообменниках. Известна восьмиступенчатая тихоходная паровая турбина с непосредственным, без редуктора, присоединением движителя с консистентной смазкой подшипников. В ней при одном рабочем колесе имеются несколько сопловых решеток, расположенных с противоположных сторон по ободу колеса. Движение пара происходит последовательно через ряд сопловых и рабочих решеток с двойным повторным подводом газообразного рабочего тела. При этом после каждой ступени движение пара меняется на противоположное. Рабочее тело движется змейкой через обод колеса 2. В этой турбине движение рабочего тела от сопловых до рабочих лопаток происходит на коротком расстоянии, и теплообмен возможен только в выносных теплообменниках. Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу является способ использования энергии перепада давления источника природного газа путем пропускания его через агрегат, содержащий расширительную турбомашину, расширения газообразного рабочего тела с одновременным понижением его давления, температуры, последовательного подогрева газообразного рабочего тела и отвода механической энергии 3. Наиболее близким по своей сущности к заявляемому агрегату является агрегат, содержащий расширительную турбомашину, включающую кожух с расположенным в нем рабочим колесом с лопатками, установленным на валу, связанном с валом потребителя,патрубки подвода газообразного рабочего тела, снабженные блоками сопел, подводящими газообразное рабочее тело к лопаткам рабочего колеса, и патрубками отвода газообразного рабочего тела 3. Известные способ и устройство также не обеспечивают высокоэффективного теплообмена газообразного рабочего тела и требуют для этих целей дополнительных устройств. Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности теплообмена газообразного рабочего тела за счет увеличения пути его движения и поверхности соприкосновения с теплоносителем. 2 10032 1 2007.12.30 Поставленная задача решена тем, что в агрегате, содержащем расширительную турбомашину, включающую кожух с расположенным в нем рабочим колесом с лопатками,установленным на валу, связанном с валом потребителя, патрубки подвода газообразного рабочего тела, снабженные блоками сопел, подводящими газообразное рабочее тело к лопаткам рабочего колеса, и патрубками отвода газообразного рабочего тела, расширительная турбомашина заключена в корпус, снабженный патрубками подвода и отвода теплоносителя, а между корпусом и кожухом расположены в виде спиралей каналы, образующие теплообменник, каждые полвитка которых расположены по обеим сторонам рабочего колеса, при этом один их конец снабжен блоком сопел, каналы могут быть выполнены в виде не менее двух рядов спиралей, потребитель может быть расположен внутри корпуса агрегата, а сам агрегат может быть дополнительно снабжен средством регулирования расхода газообразного рабочего тела. Поставленная задача решена также тем, что в способе использования энергии перепада давления газообразного рабочего тела путем пропускания его через агрегат, содержащий расширительную турбомашину, расширения газообразного рабочего тела с одновременным понижением его давления, температуры и отвода механической энергии,расширение газообразного рабочего тела проводят неоднократно, при этом после каждого расширения осуществляют его принудительный нагрев или охлаждение теплоносителем в теплообменнике, расположенном непосредственно внутри корпуса агрегата. Согласно изобретению, газообразное рабочее тело под давлением поступает в агрегат,в котором на одном рабочем колесе происходит неоднократное расширение газообразного рабочего тела с одновременным понижением его давления, при этом после каждого неоднократного расширения газообразного рабочего тела проводят принудительный его нагрев или охлаждение теплоносителем в теплообменнике, расположенном непосредственно внутри корпуса агрегата. Способ может осуществляться в агрегате, содержащем расширительную турбомашину, включающую кожух с расположенным в нем рабочим колесом с лопатками, установленным на валу, связанном с валом потребителя, патрубки подвода газообразного рабочего тела, снабженные блоками сопел, подводящими газообразное рабочее тело к лопаткам рабочего колеса, и патрубками отвода газообразного рабочего тела, расширительная турбомашина заключена в корпус, снабженный патрубками подвода и отвода теплоносителя, а между корпусом и кожухом расположены в виде спиралей каналы, образующие теплообменник, каждые полвитка которых расположены по обеим сторонам рабочего колеса, при этом один их конец снабжен блоком сопел, каналы могут быть выполнены в виде не менее двух спиралей, потребитель может быть расположен внутри корпуса агрегата, а сам агрегат может быть дополнительно снабжен средством регулирования расхода рабочего тела. Таким образом, создана большая поверхность теплообмена и значительно увеличен путь газообразного рабочего тела. Кроме того, реализована цикличность теплообмена охлаждение или нагрев теплоносителя проводят после каждого цикла его расширения. Это позволяет использовать один агрегат с одной расширительной турбомашиной и встроенным теплообменником вместо нескольких. На фиг. 1 показана общая схема агрегата, продольный разрез. На фиг. 2 - общая схема агрегата, поперечный разрез по А-А. На фиг. 3 показана схема расположения каналов в виде одной спирали. На фиг. 4 показана схема расположения каналов в виде двух спиралей. На фиг. 5 показана схема развертки проточной части и каналов для теплоносителя расширительной турбомашины. Агрегат содержит корпус 1, патрубки подвода 2 и отвода 3 теплоносителя, расширительную турбомашину, включающую кожух 4, рабочее колесо 5 с лопатками 6, установленное в кожухе на валу 7, связанном с валом потребителя 8, патрубки подвода 9 и отвода 10 газообразного рабочего тела, блоки сопел 11, подводящие газообразное рабочее тело к 3 10032 1 2007.12.30 лопаткам 6, выходы 12 газообразного рабочего тела из рабочего колеса 5, полувитки спиралеобразных каналов 13, расположенные с левой стороны рабочего колеса 5, полувитки спиралеобразных каналов 14, расположенные с правой стороны рабочего колеса 5. Полувитки спиралеобразных каналов 13 и 14 разделены межканальными зазорами 21 для пропуска теплоносителя и образуют встроенный теплообменник. Потребитель 15 может быть расположен как вне корпуса агрегата (на фигурах не показано), так и внутри кожуха 4. Блоки сопел 11 и выходы 12 газообразного рабочего тела разделены нерабочими зонами 16 и 17 на обеих сторонах кожуха 4 рабочего колеса 5. Кроме патрубков 9 и 10 могут быть дополнительно установлены патрубки подвода 18 и отвода 19 к любым полувиткам спиралеобразных каналов 13 и 14. Каналы 13 и 14 могут быть выполнены в виде двух или более спиралей, причем часть из них соединена с патрубками подвода 9 и отвода 10 рабочего тела. Агрегат может быть дополнительно снабжен средством регулирования расхода 20 газообразного рабочего тела. Осуществление изобретения иллюстрируется следующим примером. В качестве примера показана возможность использования избыточной энергии давления природного газа, теряемой при дросселировании, в котельной завода. Теплоснабжение завода осуществляется от собственной котельной. В котельной установлены паровые котлы два ДЕ-25-14-ГМ, два ДКВР-10-13. Топливом для котельной служит природный газ. Природный газ в котельную поступает при давлении 3,70 ата при температуре -3 8 С. Для работы газовых горелок паровых котлов требуется давление не выше 1,40 ата. Рабочее тело под давлением 3,70 ата и расходом 1700 нм 3/час поступает в агрегат через патрубок 9, проходит через первое сопло или первую часть сопел блока сопел 11 (далее первую и последующие ступени) и лопатки 6 рабочего колеса 5 диаметром 700 мм,вращая его, поступает в соответствующую первой ступени части полувитков каналов 13 и по ним к соплам второй ступени с противоположной стороны колеса. Пройдя сопла второй ступени, газ вновь поступает на лопатки колеса, далее процесс повторяется. Пройдя последовательно по каналам 13 через несколько ступеней, газ со сниженным конечным давлением покидает машину через патрубок 10. На половине колеса происходит движение рабочего тела из сопел в одном направлении, а на второй половине колеса - в противоположном. На стыке изменения направлений образуются две нерабочие зоны 16 и 17, в которых поток упирается в стенки. Число каналов 13 соизмеримо с числом лопаток 6 рабочего колеса 5 и сопел в блоке 11. Одновременно со снижением давления, в данном случае последовательно в каждой ступени, до 3,28, 2,90, 2,57, 2,26, 2,01, 1,76, 1,60 и 1,40 ата происходит подогрев рабочего тела после каждой ступени расширения при его движении по каналам 13 между ступенями посредством теплоносителя с температурой 50 С, взятого от сепаратора непрерывной продувки паровых котлов. Теплоноситель пропускают через патрубок 2 и пространство между корпусом 1 кожухом 4 и отводят через патрубок 3, в результате чего температура газа поднимается практически до его начальной температуры. Рабочее колесо 5 со скоростью 3000 об./мин вращает вал 7 и расположенный на валу 8 потребитель 15 - в данном случае 2 электрогенератора 180 М 2 220/380 В, 50 Гц с номинальной мощностью 22 кВт. Вал 8 может быть выведен за пределы машины при снабжении его уплотнителем. При расположении потребителя внутри агрегата, необходимость в устройстве уплотнения отпадает. Теплота, выделяемая при работе потребителя, полезно используется для подогрева газа. После выхода газа с заданным давлением из агрегата его подают в газовые горелки паровых котлов котельной, а использованный теплоноситель с температурой до 1 С используется для охлаждения подшипников дымососов котлов и затем сбрасывается в канализацию. 4 10032 1 2007.12.30 Вырабатываемую генераторами электроэнергию подают в электросеть котельной. Конструкция агрегата позволяет подводить рабочее тело в каналы перед любыми ступенями колеса и отводить его от любых ступеней с заданным выходным давлением. Число ступеней снижения давления в агрегате может быть переменным. При подводе рабочего тела в первую ступень, агрегат автоматически регулирует число ступеней расширения в зависимости от величины начального давления рабочего тела и живого сечения каналов первой ступени. Так, при уменьшении начального давления рабочего тела достаточно увеличить живое сечение каналов первой ступени, и число ступеней снижения давления автоматически уменьшится. Прикрывая регулирующий клапан, уменьшают расход рабочего тела через ступени при сохранении постоянного давления на выходе из агрегата. Конструкция агрегата позволяет осуществить устойчивую работу и сохранение заданных параметров машины при широком диапазоне изменения начальных величин давления и расхода рабочего тела. В каналы агрегата возможна подача вещества (воды) для интенсификации тепломассообмена с рабочим телом. В каналах агрегата возможна центробежная сепарация рабочего тела с отводом продуктов сепарации вне агрегата. В каналах агрегата при низких рабочих температурах возможно осуществление изменения агрегатного состояния рабочего тела (сжижение, конденсацию). В самом агрегате возможно осуществить производство рабочего тела (горение, утилизацию взрывчатых веществ). Возможно применение агрегата в энергетических комплексах для совместной выработки электроэнергии, тепла, холода,газового моторного топлива, сжиженного газа, сухого льда, азотных удобрений, утилизации , 2, СО, компенсации парникового эффекта, компенсации реактивной мощности систем электроснабжения. Источники информации 1. Щегляев А.В. Паровые турбины. Изд. 4-е, М., Энергия, 1967. стр. 130-131, 151-153. 2. Балабанович В.К. Совершенствование схем и режимов работы теплофикационных паротурбинных установок. - Мн. ПолиБиг, 2000. - С. 116-119, 121-134. 3.2098713 С 1, 1997 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6