Парогенератор (варианты)



Парогенератор (варианты)
Парогенератор (варианты)
Парогенератор (варианты)

 


Владельцы патента RU 2431079:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к тепловым энергетическим установкам, а именно к парогенераторам, использующим в качестве компонентов топлива кислород и водород с добавлением балластной воды, и может быть использовано в паросиловых установках, где в качестве рабочего тела используется водяной пар. Задачей изобретения является интенсификация испарения балластной воды за счет ее лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания парогенератора. Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора. В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания. Парогенератор по второму варианту отличается от первого варианта конструкцией узла подачи балластной воды, который представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежные форсунки, направленные внутрь рабочего канала камеры сгорания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к тепловым энергетическим установкам, а именно к парогенераторам, использующим в качестве компонентов топлива кислород и водород с добавлением балластной воды, и может быть использовано в паросиловых установках, где в качестве рабочего тела используется водяной пар. Изобретение также может быть использовано в химической технологии, где часто требуется получение водяного пара при различных давлениях и температурах.

Одной из проблем в данной области техники является создание эффективных и надежных парогенераторов. В частности существует проблема охлаждения камеры сгорания. Известно, что в камерах сгорания подобных парогенераторов водород-кислородное топливо сжигается при стехиометрическом соотношении компонентов топлива Km=mO2/mH2=8, это означает, что температура в камере сгорания составляет около 3400 К. Такая высокая температура требует эффективного охлаждения камеры сгорания. В парогенераторах обычно используется вода, расходы которой достаточно велики. Таким образом, для надежного охлаждения камеры сгорания должны быть предусмотрены специальные средства.

Известны парогенераторы, работающие на топливе недород (окислитель) и водород (горючее), камера сгорания которых охлаждается одним из компонентов топлива. Например, подобные устройства защищены патентами RU №2358190 и RU №2358191, где в качестве охладителя используется горючее (водород), который затем подается в смесительную головку,

К недостаткам подобного решения можно отнести то, что, несмотря на исключительно высокие охлаждающие свойства водорода (высокая теплоемкость), для эффективного охлаждения камеры сгорания, где температура при стехиометрическом соотношении топлива достигает 3400 К, необходима трудоемкая конструкция охлаждающего тракта.

Известны устройства, подобные устройству защищенному патентом RU №2371594. Предлагаемое устройство содержит камеру сгорания, запальное устройство, испарительную камеру, устройство подвода воды в верхней части камеры сгорания, выполненное в виде втулки с тангенциальными каналами для закрутки воды. Охлаждение камеры сгорания осуществляется за счет создания водяной вихреобразной оболочки, внутри которой сжигают компоненты топлива. Водяная оболочка, защищающая стенку камеры сгорания, свертывается в промежуточном сопле. Испарение воды осуществляется в испарительной камере.

В качестве прототипа может быть рассмотрено устройство, защищенное патентом RU №2300049. Согласно данному решению парогенератор работает на компонентах топлива кислород и водород с добавлением балластной воды. Парогенератор включает смесительную головку с узлом зажигания, охлаждаемую камеру сгорания с рабочим каналом, камеру смешения с соплом и подводящие магистрали. Балластная вода обеспечивает наружное охлаждение камеры сгорания и подается в камеру смешения под углом к оси парогенератора.

Рассмотрим общие недостатки, характерные для всех рассмотренных технических решений.

В рассмотренных выше парогенераторах для перемешивания продуктов сгорания с балластной водой используется принцип эжекции (подсасывания) водяной пелены, поступающей из тракта охлаждения, скоростной струей продуктов сгорания, истекающей из промежуточного сопла. Принцип эжекции работает при условии высокой скорости рабочего (эжектирующего) потока, то есть в данном случае потока продуктов сгорания. Поэтому для его реализации требуется сопло с около критическим перепадом давления, в котором ускоряется поток продуктов сгорания топлива. Это означает, что давление в камере сгорания в 1,5-2 раза выше, чем в камере смешения, что потребует дополнительных усилий при обеспечении надежности охлаждения. Необходимо также отметить, что в данном случае давление генерируемого пара ограничивается возможностями системы подачи компонентов топлива.

Кроме того, использование принципа эжекции для эффективного дробления водяной пелены, перемешивания и испарения капель требует значительной длины камеры смешения, что увеличивает габаритные размеры устройства. При этом расход продуктов сгорания топлива должен быть примерно равен или больше расхода балластной воды.

Из графика фиг.1, где приведена зависимость температуры продуктов сгорания от массовой доли балластной воды при соотношении компонентов топлива (кислород:водород) Km=8, видно, что условие mпс≥mН2O (где mпc и mН2O - расходы продуктов сгорания топлива и воды соответственно) ограничивает значения температуры генерируемого пара.

Таким образом, характерным недостатком для всех устройств с промежуточным соплом, работающим по принципу эжекции, является трудность организации эффективного перемешивания и испарения водяной пелены.

К недостаткам выбранного прототипа можно также отнести напряженный температурный режим камеры сгорания. Конструкция промежуточного сопла рассматриваемого прототипа предполагает наличие центрирующих ребер. Поэтому на начальном участке камеры смешения возможны разрывы водяной пелены и, следовательно, не исключено воздействие высокотемпературных продуктов сгорания на стенки камеры смешения в районе разрывов пелены.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении, задачей которого является интенсификация испарения балластной воды за счет ее лучшего перемешивания с продуктами сгорания топлива в широком диапазоне температур и давлений генерируемого пара, а также повышение надежности охлаждения камеры сгорания.

Достижение поставленной задачи решается двумя вариантами конструкций парогенератора.

В первом варианте изобретения предлагается конструкция парогенератора, который состоит из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Парогенератор по второму варианту состоит также из расположенных соосно и последовательно смесительной головки с узлом зажигания, охлаждаемой камеры сгорания, камеры смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также включает подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды. Смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды. Между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, и отличается от первого варианта тем, что конструкция узла подачи балластной воды представляет собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания. На поверхности сужающего участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежных форсунок, направленных внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Применение центробежных форсунок для распыливания балластной воды в обоих вариантах конструкции парогенератора позволяет интенсифицировать процесс испарения балластной воды. Этот эффект достигается за счет того, что центробежная форсунка позволяет получить тонкую (порядка 0,2-0,4 мм) пелену воды, легко дробящуюся на мелкие капли, которые эффективно испаряются. Таким образом, в камере сгорания образуются продукты сгорания трехкомпонентного топлива (кислород, водород и вода) с температурой, пропорциональной доле добавляемой балластной воды (фиг.1), что снижает тепловую нагрузку на конструкцию камеры сгорания. Применение нескольких равномерно расположенных на сужающемся участке узла ввода балластной воды центробежных форсунок, в конструкции парогенератора по второму варианту, позволяет добиться более равномерного распыления воды по сечению рабочего канала, и, следовательно, более равномерного температурного поля генерируемого пара.

Большая часть процесса перемешивания и испарения балластной воды в предлагаемых устройствах протекает в камере сгорания, а в камере смешения в основном происходит доперемешиваине и окончательное выравнивание поля температур генерируемого пара. Это позволяет уменьшить продольный размер камеры смешения, а значит, и снизить общий габаритный размер парогенератора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.2 и фиг.3 изображен общий вид парогенератора по варианту один и по варианту два соответственно. Согласно фигуре 2 парогенератор содержит:

1 - магистраль подвода горючего (водорода); 2 - смесительная головка; 3 - отверстия подачи горючего (водорода) в камеру сгорания; 4 - камера сгорания; 5 - магистраль подвода окислителя (кислорода); 6 - канал подвода окислителя; 7 - электросвеча узла зажигания; 8 -тракт охлаждения камеры сгорания; 9 - магистрали подачи балластной воды в тракт охлаждения камеры сгорания; 10 - центробежная форсунка смесительной головки; 11 - центробежная форсунка узла ввода балластной воды - 12; 13 - камера смешения; 14 - сопло; 15 - рабочий канал.

Парогенератор по варианту 2, поясняемый чертежом (фиг.3), имеет те же обозначения, что и на фиг.1, но узел ввода оставшейся части балластной воды в этом случае оснащен тремя или более центробежными форсунками 11, направленными внутрь рабочего канала камеры сгорания.

Предложенный парогенератор работает следующим образом:

Горючее (водород) по магистрали 1 подается в смесительную головку 2 и через отверстия 3 - в расширяющейся конической части головки поступает в камеру сгорания 4, заполняя при этом все внутренние полости смесительной головки, в том числе канал подвода окислителя (кислорода) 6. Подается напряжение на электросвечу 7 узла зажигания. Включается подача кислорода, который по магистрали 5 поступает канал подвода окислителя 6, при этом поступающий в камеру сгорания 4 кислород выталкивает перед собой горючее (водород), заполнившее канал подвода окислителя 6. Таким образом, через область пробоя искры электросвечи 7 проходят смеси водорода и кислорода в широком диапазоне соотношений, в момент прохождения оптимальной смеси происходит воспламенение. Тем самым обеспечивается надежное воспламенение компонентов топлива. Одновременно с подачей кислорода по магистрали 9 подается балластная вода в тракт охлаждения 8 камеры сгорания 4. После охлаждения камеры сгорания балластная вода собирается и разделяется на два потока, меньший и больший, меньший поступает к центробежной форсунке 10 смесительной головки 2 и внедряется в поток продуктов сгорания. Большая часть балластной воды поступает к центробежной форсунке 11 узла ввода 12, расположенной в конце рабочего канала 15 камеры сгорания 4 также по оси устройства и поступает в камеру сгорания против потока продуктов сгорания. В камере смешения 13 происходит окончательное перемешивание продуктов сгорания и балластной воды и выравнивание температурного поля получаемого водяного пара, который сбрасывается через сопло 14, обеспечивающее необходимый уровень давления в парогенераторе.

По второму варианту изобретения большая часть балластной воды после тракта охлаждения камеры сгорания поступает в узел ввода балластной воды 12 и через три или более центробежных форсунок 11 внедряется против потока продуктов сгорания под оптимальным углом к оси устройства. При этом обеспечивается более интенсивное перемешивание продуктов сгорания и балластной воды и, следовательно, более равномерное температурное поле генерируемого пара.

Ввод воды непосредственно в камеру сгорания парогенератора при помощи центробежных форсунок обеспечивает ее интенсивное перемешивание с продуктами сгорания компонентов топлива и интенсивное испарение балластной воды, одновременно снижается температура в рабочем канале камеры сгорания и, следовательно, тепловая нагрузка на камеру сгорания. Отсутствие промежуточного сопла в предлагаемом устройстве позволяет получать водяной пар в широком диапазоне температур и давлений в системе подачи компонентов топлива и парогенераторе. При этом обеспечивается более равномерное поле температур пара при меньших длинах камеры сгорания и камеры смешения.

Предложенная конструкция парогенератора обеспечивает получение водяного пара заданных параметров при обеспечении работоспособности конструкции с точки зрения надежного охлаждения, что подтверждается экспериментами, проведенными авторами на предлагаемом парогенераторе.

1. Парогенератор, включающий расположенные соосно и последовательно смесительную головку с узлом зажигания, охлаждаемую камеру сгорания, камеру смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды, отличающийся тем, что смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды, а между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой цилиндрическую вставку, снабженную центробежной форсункой, расположенной по оси камеры сгорания и направленной внутрь рабочего канала камеры сгорания.

2. Парогенератор, включающий расположенные соосно и последовательно смесительную головку с узлом зажигания, охлаждаемую камеру сгорания, камеру смешения с соплом, внутренние полости которых образуют единый рабочий канал, а также подводящие магистрали окислителя, горючего и балластной воды, отличающийся тем, что смесительная головка снабжена расположенной в канале подвода окислителя по оси головки центробежной форсункой подвода части балластной воды, а между камерой сгорания и камерой смешения расположен узел ввода оставшейся части балластной воды, представляющий собой вставку, имеющую внутренний сужающийся участок, диаметр которого на входе равен диаметру рабочего канала камеры сгорания, при этом на поверхности сужающегося участка вставки равномерно по окружности расположены под углом к оси камеры сгорания три или более центробежных форсунок, направленных внутрь рабочего канала камеры сгорания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С).

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлах пульсирующего горения для нагревания воды в системах отопления. .

Изобретение относится к парогенераторам и может быть использовано как автономный агрегат для получения парогазовой смеси. .

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно парогенераторам, использующим в качестве горючего водород. .

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно парогенераторам, использующим в качестве горючего водород. .

Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газо- и паротурбинных, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента (вода, отработанный водяной пар) с горячим газом - продуктом сгорания водорода в кислороде, а более конкретно - к конструкциям парогенераторов.

Изобретение относится к парогенераторам для силовых установок, преимущественно паротурбинных, использующих в качестве рабочего тела пар, генерируемый посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода с кислородом с балластировочным компонентом - водой.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение в любой хозяйственной области, где требуется получение одного или нескольких теплоносителей одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь).

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение там, где требуется получение нескольких видов теплоносителя одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь) с повышенным давлением по отношению к давлению газа и воздуха на входе в устройство.

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для производства пара и горячей воды. .

Группа изобретений относится к скважинному парогенератору. Устройство может включать в себя секцию введения, секцию сжигания и секцию парообразования. Система скважинного парогенератора содержит секцию введения, выполненную с возможностью введения топлива и окислителя в камеру сгорания; секцию сгорания, содержащую лейнер, и секцию парообразования, содержащую форсунку. Лейнер образует камеру сгорания. Причем лейнер содержит путь потока, проходящий через лейнер для подачи текучей среды к лейнеру. Секция парообразования выполнена с возможностью введения текучей среды из пути потока лейнера к камере сгорания. Причем форсунка соединена с лейнером посредством трубы, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между путем потока лейнера и форсункой. Подают топливо, окислитель и текучую среду в устройство. Сжигают топливо и окислитель в камере с подачей текучей среды через множество каналов, проходящих через лейнер. Нагревают текучую среду и охлаждают лейнер. Вводят капли нагретой текучей среды в камеру. Превращают капли в пар с помощью сжигания. Техническим результатом является повышение эффективности извлечения нефти из пласта. 5 н. и 43 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может использоваться для автономного обеспечения потребителей различными видами энергии. Изобретение позволяет достигнуть высоких экологических показателей при получении горячей воды и снизить энергопотребление при ее нагреве, расширить диапазон автономного и мобильного обеспечения потребителей различными видами энергии. Указанный технический результат достигается тем, что система содержит источники кислорода и водорода, парогенератор, пароводяной эжектор с активным и пассивным контурами, источник воды и потребитель горячей воды, где парогенератор снабжен трубопроводами подвода кислорода, водорода, балластировочной воды, отвода пароводяной смеси и включает объединенный узел устройства зажигания и форсунок, причем трубопроводы подвода кислорода и водорода к парогенератору оснащены каждый краном и жиклером и подключены на входе к источникам кислорода или водорода, притом к активному контуру эжектора на входе подключен трубопровод отвода пароводяной смеси от парогенератора, пассивный контур эжектора на входе соединен трубопроводом с источником воды, а выход эжектора подключен к потребителю горячей воды. Дополнительно система содержит регуляторы давления и гидротурбину, соединенную валом с потребителем мощности, выход эжектора подключен к потребителю горячей воды через гидротурбину, краны сделаны запорными, регуляторы давления установлены в трубопроводах подвода кислорода и водорода между кранами и жиклерами. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение предназначено для выработки высокотемпературного водяного пара и может быть использовано в силовых установках. Парогенератор содержит запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора, и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Изобретение улучшает процесс перемешивания воды с продуктами сгорания компонентов топлива за счет наличия дополнительной турбулентной составляющей, что позволяет получить качественный фракционный состав водяного пара при уменьшенной длине камеры смешения. 2 ил.

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при разработке оборудования для бань стационарного и мобильного типов. Способ получения пара заключается в обеспечении взаимодействия парообразующей жидкости с разогретым теплообменным материалом. Парообразующую жидкость подают в предварительно расположенные в теплообменном материале емкости в виде вертикальных патрубков, состоящих из двух частей, нижней и верхней, для парообразующей жидкости, расположенных в нижней части вертикальной центральной полой стойки. Емкости патрубков заполняют парообразующей жидкостью. В верхней части центральной полой стойки установлена емкость для парообразующей жидкости с гидрозатвором. Каждый вертикальный патрубок в своей центральной части соединен с центральной стойкой соединительным патрубком. Между местом их соединения с центральной стойкой и ее нижним торцом образована полость. В верхней части вертикальных патрубков и нижней части вертикальной стойки в месте ее соединения с упомянутыми соединительными патрубками выполнены каналы, соединяющие полость устройства с окружающей средой. Каналы в вертикальных патрубках расположены выше проходного сечения соединительных патрубков. Достигаемый результат - упрощение обслуживания и повышение экономичности работы устройства за счет увеличения времени подачи пара без обслуживающего персонала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в эжекторных установках для имитации высотных условий при испытаниях ракетных двигателей, а также в силовых установках паротурбинного типа. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа, обеспечивающего повышение надежности и эффективности парогенератора, используемого в качестве стендового агрегата. Для решения задачи в способе получения высокотемпературного парогаза в жидкостном ракетном парогазогенераторе, включающем подачу компонентов топлива в камеру сгорания парогазогенератора и их сжигание с образованием высокотемпературных продуктов сгорания, в которые в камере смешения парогазогенератора впрыскивают воду с получением парогаза, отличающемся тем, что часть воды, используемой для получения парогаза, в количестве 30…40% от суммарного расхода этой воды и горючего, подают на регенеративное охлаждение огневого днища смесительной головки камеры сгорания парогазогенератора с последующим ее впрыском через выдвинутые в камеру сгорания форсунки, установленные на огневом днище, а остальную часть воды, впрыскиваемой в высокотемпературные продукты сгорания в камере смешения, подают в виде пучков капель, равномерно распределенных по поперечному сечению высокотемпературных продуктов сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к конструкциям парогенераторов. Задачей изобретения является упрощение осуществления способа и упрощение конструкции устройства. Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе получения пара, включающем горение топлива, контактирование газообразных продуктов горения топлива с водосодержащей средой и отвод образующегося пара, в качестве топлива используют смесь водорода с кислородом или с воздухом при соотношении водорода и кислорода в указанной смеси, обеспечивающем ее горение в режиме взрыва, обеспечивают контактирование газообразных продуктов горения топлива с водосодержащей средой путем их ввода под поверхность водосодержащей среды с образованием в ней парогазовых пузырей и последующим выделением из указанных пузырей пара при достижении ими поверхности водосодержащей среды. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для получения пара, содержащем по меньшей мере одну камеру сгорания, снабженную выпускным отверстием, узел подвода топлива в камеру сгорания, узел воспламенения топлива, камеру испарения, сообщенную через выходное отверстие с камерой сгорания, согласно изобретению узел подвода топлива включает узел подвода водорода и узел подвода кислорода или воздуха, камера испарения изготовлена в виде закрытого сверху резервуара, выполненного с возможностью заполнения его нижней части водосодержащей средой, при этом в камере испарения установлена по меньшей мере одна открытая с двух концевых участков отводная труба, один концевой участок которой сообщен с выпускным отверстием камеры сгорания, а другой концевой участок расположен в резервуаре таким образом, что он оказывается заглубленным по отношению к поверхности заполняющей резервуар водосодержащей среды. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх