Энерготехнологический контактный котел для сжигания кремния

(51)02 7/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТАКТНЫЙ КОТЕЛ ДЛЯ СЖИГАНИЯ КРЕМНИЯ(71) Заявитель Манкевич Эдуард Александрович(72) Автор Манкевич Эдуард Александрович(73) Патентообладатель Манкевич Эдуард Александрович(57) Энерготехнологический контактный котел для сжигания кремния, содержащий цилиндрический экран, топку, средства подачи компонентов топлива, отличающийся тем,что цилиндрический экран выполнен из коаксиально расположенных разъемных цилиндрических стаканов, герметично соединенных венцом в верхней части, донья которых в 7978 1 2006.04.30 уровне разъема снабжены попарно и соосно сопряженными соплами, равномерно распределенными по всей их площади и образующими струйный многосопловой самовсасывающий аппарат топка выполнена совмещенной с цилиндрическим экраном, а многосопловой самовсасывающий аппарат делит ее на верхнюю реакционную камеру и нижнюю съемную камеру сгорания, герметично и соосно соединенные клиновым разъемным кольцом, средства подачи компонентов топлива выполнены в виде турбонасосного агрегата, включающего корпус с рабочим органом и форсуночную головку для распыливания и смешивания компонентов топлива, причем корпус его выполнен составным из верхнего и совмещенного с цилиндрическим экраном нижнего элементов и диафрагмы между ними с направляющим трехъярусным аппаратом, который образует с верхним элементом полость для рабочего органа, а с нижним - кольцевую реакционную камеру для смешивания компонентов топлива, на верхнем элементе установлена тренога, на которой закреплен кольцевой трубопровод с соплами подачи рабочего тела, топливоподводящая спаренная неподвижная труба, выполненная в виде концентрично расположенных труб с кольцевым зазором между ними, и ее фиксаторы, на верхнем элементе и диафрагме установлены соосно быстровращающиеся опоры, а для сообщения верхней и нижней частей полости корпуса с топливом смонтирован топливопровод, проходящий через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму рабочий орган выполнен трехъярусным,высокооборотным в виде центробежных разъемных верхнего ведущего с полым валом и нижнего ведомого с глухим валом дисков, скрепленных на периферии напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, и имеющих со стороны валов ребра в виде лопаток с покрывными дисками с наклонными отверстиями против топливопровода для захвата и для перемещения компонентов топлива от центра к периферии, лопатки для перемещения топлива к периферии на ведомом диске и такой же конфигурации расположенные зеркально лопаткам канавки на ведущем диске с противоположной стороны валов, которые входят в плавающее зацепление с лопатками ведомого диска, причем валы рабочего органа смонтированы в быстровращающихся опорах корпуса, полый вал снабжен внутренним шнеком-нагнетателем и приводом в виде турбины, а соединение вращающегося полого вала с топливоподводящей неподвижной трубой выполнено с помощью гидравлического затвора, включающего камеру с топливоподводящей трубкой и лабиринтно-винтовым уплотнением и топливосборник с топливоотводящей трубкой, внутри которого на полом валу закреплен диск отброса топлива форсуночная головка выполнена в виде трехзвенного перфорированного и закрепленного в плоскости разъема верхнего и нижнего элементов блока, охватывающего диафрагму с направляющим аппаратом так, что каждое его звено расположено против соответствующего яруса направляющего аппарата, отделяет их друг от друга со стороны диафрагмы и сообщает через отверстия-форсунки с реакционной камерой ведущий и ведомый диски рабочего органа выполнены симметрично друг другу, а валы имеют одинаковые наружные диаметры, причем все кольцевые сечения полости его от центра до периферии имеют равные проходные площади, а диски связаны между собой при помощи торсионной тяги, и между ними расположен плавающий распорный элемент. Изобретение относится к области энергетики и может найти применение, например, в блоке котел-турбина-генератор, а также в других областях, где требуется получение водорода с его сжиганием и без него, жидкого стекла и других веществ. Известен котел, в котором в результате сжигания гидрореагирующих горючих в прямом контакте с водой образуется парогаз, состоящий из водорода, если он не дожигается,и паров воды. Он содержит цилиндрический экран, топку, средства подачи компонентов топлива 1. 2 7978 1 2006.04.30 Недостатками известного котла являются сложность, громоздкость, большая металлоемкость вместе с обеспечивающим его работу оборудованием некомпактность его узлов вредные выбросы в атмосферу и загрязнение окружающей среды невозможность сжигания в нем кремния - самого распространенного в природе неорганического горючего. Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что цилиндрический экран котла выполнен из коаксиально расположенных разъемных цилиндрических стаканов,герметично соединенных венцом в верхней части, донья которых в уровне разъема снабжены попарно и соосно сопряженными соплами, равномерно распределенными по всей их площади и образующими струйный многосопловой самовсасывающий аппарат топка выполнена совмещенной с цилиндрическим экраном, а многосопловой самовсасывающий аппарат делит ее на верхнюю реакционную камеру и нижнюю съемную камеру сгорания герметично и соосно соединенные клиновым разъемным кольцом, средства подачи компонентов топлива выполнены в виде турбонасосного агрегата, включающего корпус с рабочим органом и форсуночную головку для распыливания и смешивания компонентов топлива, причем корпус его выполнен составным из верхнего и совмещенного с цилиндрическим экраном нижнего элементов и диафрагмы между ними с направляющим трехъярусным аппаратом, который образует с верхним элементом полость для рабочего органа, а с нижним - кольцевую реакционную камеру для смешивания компонентов топлива и осуществления их химического взаимодействия, на верхнем элементе установлена тренога,на которой закреплен кольцевой трубопровод с соплами подачи рабочего тела, топливоподводящая спаренная неподвижная труба, выполненная в виде концентрично расположенных труб с кольцевым зазором между ними, и ее фиксаторы, на верхнем элементе и диафрагме установлены соосно быстровращающиеся опоры, а для сообщения верхней и нижней частей полости корпуса с топливом смонтирован топливопровод, проходящий через верхний элемент корпуса, направляющий трехъярусный аппарат и диафрагму рабочий орган выполнен трехъярусным, высокооборотным в виде центробежных разъемных верхнего ведущего с полым валом и нижнего ведомого с глухим валом дисков, скрепленных на периферии напряженными многослойными обмотками из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, и имеющих со стороны валов ребра в виде лопаток с покрывными дисками с наклонными отверстиями против топливопровода для захвата и для перемещения компонентов топлива от центра к периферии, лопатки для перемещения топлива к периферии на ведомом диске и такой же конфигурации расположенные зеркально лопаткам канавки на ведущем диске с противоположной стороны валов, которые входят в плавающее зацепление с лопатками ведомого диска, причем валы рабочего органа смонтированы в быстровращающихся опорах корпуса, полый вал снабжен внутренним шнеком-нагнетателем и приводом в виде турбины, а соединение вращающегося полого вала с топливоподводящей неподвижной трубой выполнено с помощью гидравлического затвора, включающего камеру с топливоподводящей трубкой и лабиринтновинтовым уплотнением и топливосборник с топливоотводящей трубкой, внутри которого на полом валу закреплен диск отброса топлива форсуночная головка реакционной камеры выполнена в виде трехзвенного перфорированного и закрепленного в плоскости разъема верхнего и нижнего элементов блока, охватывающего диафрагму с направляющим аппаратом так, что каждое его звено расположено против соответствующего яруса направляющего аппарата, отделяет их друг от друга со стороны диафрагмы и сообщает через отверстия-форсунки с реакционной камерой, ведущий и ведомый диски рабочего органа выполнены симметрично друг другу, а валы имеют одинаковые наружные диаметры, причем все кольцевые сечения полости его от центра до периферии имеют равные проходные 3 7978 1 2006.04.30 площади, а диски связаны между собой при помощи торсионной тяги, и между ними расположен плавающий распорный элемент. На фиг. 1 изображен котел в продольном разрезе. На фиг. 2 дан поперечный разрез в плоскости клинового кольца. На фиг. 3 показан поперечный разрез по лопаткам турбины привода рабочего органа. На фиг. 4 дан поперечный разрез многосоплового аппарата. Котел имеет разъемный экран 1, состоящий из наружного 2 и внутреннего 3 цилиндрических стаканов, герметично соединенных венцом 4 в верхней части, донья 5 которых в плоскости разъема снабжены соосно сопряженными соплами 6 и 7 струйный многосопловой самовсасывающий аппарат подачи окислителя-охладителя 8, образованный попарно и соосно сопряженными соплами 6 и 7 съемную камеру сгорания 9, совмещенную с экраном 1 ниже плоскости разъема его, с соединительным клиновым разъемным кольцом 10 и турбонасосный агрегат 11 высоких параметров, включающий корпус 12, состоящий из верхнего 13 и нижнего 14, совмещенного с экраном 1, элементов и диафрагмы 15 между ними с направляющим трехъярусным аппаратом 16, которая образует с верхним элементом 13 полость 17 для рабочего органа 18, а с нижним 1 (14) - кольцевую реакционную камеру 19 для смешивания компонентов топлива и осуществления их химического взаимодействия, клинового разъемного кольца 20 для соединения верхнего 13 и нижнего 1(14) элементов, треноги 21, на которой закреплены кольцевой трубопровод 22 с соплами 23 подачи рабочего тела, топливоподводящая спаренная неподвижная труба 24 и ее фиксаторы 25, быстровращающиеся опоры 26 для установки в них рабочего органа 18, топливопровод 27 для подвода топлива к верхней и нижней частям полости 17 рабочий орган 18,состоящий из центробежных разъемных верхнего ведущего 28 с полым валом 29 и нижнего ведомого 30 с глухим валом 31 дисков, скрепленных на периферии предварительно напряженными многослойными обмотками 32 из высокопрочного материала, например из кварцевых волокон, которые имеют со стороны валов ребра-лопатки 33 с покрывными дисками 34 с наклонными отверстиями 35 против топливопровода 27 для захвата и перемещения компонентов топлива от центра к периферии, лопатки 36 на ведомом диске 30 для перемещения топлива к периферии и такой же конфигурации (зеркально лопаткам 36) канавки 37 на ведущем диске 28 для плавающего соединения обоих дисков 28 и 30 шнек 38, установленный внутри полого вала 29 для быстрого закручивания потока и создания предварительного напора привод-турбину 39 и рассекатель 40 на ведомом диске 30 гидравлический затвор 41 для соединения вращающегося полого вала 29 с неподвижной топливоподводящей спаренной трубой 24, состоящий из камеры 42 с топливоподводящей трубкой 43 и лабиринтно-винтовым уплотнением 44 и топливосборника 45 с топливоотводящей трубкой 46, внутри которого на полом валу 29 закреплен диск отброса топлива 47 форсуночную головку 48 в виде тела вращения, состоящую из сферических звеньев 49,50, 51 для обеспечения самоуплотнения с отверстиями-форсунками 52, образующих блок с венцом 53 для жесткого закрепления его в плоскости разъема верхнего 13 и нижнего 1 (14) элементов и ребрами 54 для герметичного разделения потоков топлива, выбрасываемых из направляющего трехъярусного аппарата 16 кроме того, диски 28 и 30 связаны между собой при помощи торсионной тяги 55, и между ними расположен плавающий распорный элемент 56. Работает описанный котел следующим образом. Рабочее тело высокого давления подается по кольцевому трубопроводу 22 через сопла 23 на турбину 39, которая приводит во вращение рабочий орган 18, причем верхний 28 и нижний 30 элементы его ввиду наличия между ними плавающего зацепления работают без скольжения относительно друг друга через топливоподводящую спаренную неподвижную трубу 24 и топливопровод 27 подаются компоненты топлива в рабочий орган 18,под действием центробежных сил, которые двигаются по каналам между лопатками 36 и ребрами-лопатками 33 рабочего органа 18 в направлении от центра к периферии и через направляющий трехъярусный аппарат 16 в форсуночный блок 48, откуда под высоким 4 7978 1 2006.04.30 давлением каждый компонент поступает в отверстия-форсунки 52, выходя из которых распыляется в реакционной камере, и во взаимоперпендикулярных потоках осуществляется смешивание компонентов топлива и их реагирование (с коэффициентом избытка окислителя в присутствии катализатора) по реакции 22232 Н 2 с выделением на каждый кг кремния 1600 л водорода. Из реакционной камеры 19 продукты реакции высоких параметров (давления и температуры) с большой скоростью устремляются в струйный многосопловой самовсасывающий аппарат 8, в котором на срезе каждой пары сопел 6 и 7 под воздействием скоростного напора разделенного и ускоренного в соплах 6 и 7 потока продуктов реакции образуется разрежение, обеспечивающее всасывание окислителя-охладителя через полость экрана 1 и подачу его в камеру сгорания 9 тонкими кольцевыми струями, где происходит интенсивный обмен тепла и сгорание водорода, а образовавшийся парогаз отбирается на турбину 39 для привода рабочего органа 18 турбонасосного агрегата 11 котла и идет на технологические нужды. Перекачиваемые компоненты топлива, например горючее или окислитель, поступая на предвключенный шнек 38, интенсивно закручиваются, сообщая им расчетное избыточное давление, а затем лопатками 36 рабочего органа 18 подаются в отводящие каналы направляющего аппарата 16, где происходит преобразование скоростного потока в давление,причем один из упомянутых компонентов топлива подается в форсуночный блок 48 в пульсирующем режиме, улучшая эффект смешивания компонентов в реакционной камере 19 за счет уменьшения трения в отверстиях-форсунках 52 и увеличения угла распыла. Гидрозатвор 41 препятствует попаданию рабочего тела турбины 39 в горловину рабочего колеса 18, утечкам перекачиваемого топлива в противоположном направлении с помощью дискового уплотнительного элемента 47 и винтового уплотнения 44 соответственно. Утечки перекачиваемой среды накапливаются внутри топливосборника 45 и отводятся по топливоотводящей трубке 46 и сливной гидролинии в дренаж. Кроме того, гидрозатвор 41 использован в качестве струйного устройства для улучшения кавитационных качеств турбонасосного агрегата 11 и для подачи в него катализаторов. Ввиду высокой прочности всех элементов турбонасосного агрегата 11 котла (все они могут быть выполнены кузнечно-штамповочными операциями) и возможности развивать рабочему органу 18 регулируемые в широком диапазоне высокие обороты, последний создает необходимый напор компонентов топлива в широком диапазоне давлений. Благодаря наличию клиновых разъемных колец 10 и 20 все элементы котла соединяются быстро и надежно. Наличие турбины 39 обеспечивает высокие обороты рабочему органу 18, благодаря чему компоненты топлива тщательно распыляются и перемешиваются с избытком окислителя, обеспечивая им в итоге полное реагирование и сгорание при малых объемах реакционной камеры и камеры сгорания, малых габаритах и массе всего котла. Ввиду совмещения корпуса 12 турбонасосного агрегата 11 с экраном 1 (14) и наличия форсуночного блока 48, охватывающего диафрагму 15 с направляющим аппаратом 16,обеспечивается охлаждение всем элементам котла и полное исключение температурных напряжений. Благодаря наличию соплового самовсасывающего аппарата 8 исключается насосная система подачи окислителя-охладителя. Источники информации 1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. - М. Высшая школа, 1980. - С. 353-354. 2.508225, 1976. 3.672943 А, 1983. 4.799605, 1958. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.