CS247059B2 - Apparatus for heat recuperation - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro rekuperaci tepla obsaženého v ’ odpadních plynech, vystupujících z turbiny poháněné výfukovými plyny ze sběrače výfukových plynů spalovacího motoru, a pro jeho předávání výfukovým · plynům na · vstupní straně turbiny, přičemž · turbina tvoří součást turbokompresní skupiny o alespoň jednom stupni obsahujícím rovněž kompresor pro vyvíjení přeplňovacího vzduchu, spojený potrubím se sběračem přívodního vzduchu do motoru a spřažený s turbínou poháněnou výfukovými plyny, přičemž zařízení obsahuje oddělovací potrubí stlačeného vzduchu, spojující potrubí pro vedení přeplňovacího stlačeného vzduchu s výstupní stranou válců motoru, a · blok pro rekuperaci a předávání tepelné energie odpadních plynů, vystupujících z turbiny, stlačenému vzduchu odebíranému uvedeným oddělovacím potrubím.

Je znám, zejména z amerického patentového spisu ' č. ' 3 103 780, způsob výroby energie v systému generátoru výkonu tím, že se do spalovacího motoru přivádí část stlačeného vzduchu, vyvíjeného v kompresoru s turbinou poháněnou výfukovými plyny, a to odebíráním části stlačeného vzduchu mezi kompresorem a motorem a přidáváním tohoto stlačeného vzduchu k výfukovým plynům před jejich vstupem do turbiny, přičemž se předává tepelná energie odpadních plynů vystupujících z turbiny odebíranému stlačenému vzduchu. V tomto případě je oddělovaný stlačený vzduch ohříván ve výměníku tepla s povrchovou výměnou, tj. bez vzájemného míšení plynů, přičemž horké plyny, předávající teplo, jsou plyny vystupující z turbiny.

Nedostatkem tohoto řešení je zjevně skutečnost, že značná část tepla odpadních plynů odchází bez užitku do volného· prostoru.

Tento nedostatek odstraňuje vynález, jehož podstatou je, že blok pro rekuperaci a předávání tepla v zařízení výše popsaného typu je ejektor, jehož sací hrdlo pro nasávání unášeného tekutého prostředí je napojeno na výstup turbiny, zatímco vedení unášecího tekutého prostředí je sériově vřazeno do oddělovacího potrubí.

Podle jednoho· provedení vynálezu je oddělovací potrubí napojeno na vstupní konec sběrače výfukových plynů motoru. Podle jiného provedení je oddělovací potrubí napojeno na potrubí, spojující sběrač výfukových plynů s turbinou.

S výhodou je oddělovací potrubí napojeno na spirálu turbiny, přímo spojující sběrač výfukových plynů s turbinou.

Do oddělovacího potrubí může být vřazena zpětná klapka. Dále může být oddělovací potrubí napojeno na potrubí pro vedení stlačeného vzduchu před chladičem stlačeného vzduchu, osazeným v tomto potrubí.

Řešení podle vynálezu umožňuje zužitkovat energii obsaženou v plynech vystupujících z turbiny, které dosud byly alespoň zčásti · rozptylovány bez užitku ve volném ovzduší. Zařízení má přitom malé nároky na prostor, není citlivé na zanášení a má malé pořizovací náklady. Zužitkováním tepelné energie výfukových plynů se umožňuje snáze udržovat teplotu hnacích plynů na požadované výši a tím bez nároků na přídavné zařízení zvyšovat výkon turbiny.

Vynález je blíže . vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých . obr. 1 znázorňuje přehledné funkční schéma příkladu použití vynálezu, obr. 2 příklad provedení vynálezu ve formě blokového schématu, v němž dochází k předávání energie směšováním v ejektoru, obr. 3 až 5 příklad provedení vynálezu, v němž je oddělované množství stlačeného vzduchu, zahřáté rekuperovaným teplem, vstřikováno do vstupní spirály turbiny, přičemž obr. 3 znázorňuje spirálu v bočním pohledu, obr. 4 řez rovinou IX—IX z obr. 3 a obr. 5 rozvinutý řez spirálou po celé její obvodové délce, odpovídající úhlu 360°.

Nejprve bude popsán vynález s odvoláním na obr. 1. Ve schématu jsou čarami znázorněny jednotlivé dráhy proudění plynů nebo potrubí. Dráhy vyznačené plnou čarou jsou ty, které se používají přednostně. Čárkované čáry označují dráhy proudění používané v jiných konkrétních provedeních vynálezu.

Ze schématu je patrné, že proud stlačeného vzduchu vystupující z kompresoru C vstupuje po průchodu chladičem R konečného stlačeného vzduchu do motoru M s vnitřním spalováním, a to jeho sacím sběračem. V tomto motoru M slouží jako · látka podporující hoření. Hoření vyvíjí spalné plyny GB v jednotlivých válcích motoru. Tyto spalné plyny zahřívají zejména přímým dotykem jednotlivé části motoru a jsou shromažďovány jako výfukové plyny v alespoň jednom sběrači výfukových plynů CE, kterým opouštějí motor M. Motor M je ve schématu vymezován čárkovaně vyznačeným obdélníkem.

Výfukové plyny opouštějící motor jsou přiváděny do alespoň jedné plynové turbiny T, určené k tomu, aby v obzvláštních případech a nikoliv všeobecně unášela kompresor C. Taková turbina je tvořena jedinou jednotkou.

Podle výhodného provedení prochází oddělovaný proud A stlačeného vzduchu, odebíraný na výstupu z kompresoru C, ale před chladičem, ejektorem v němž je zahříván spalnými plyny GE vystupujícími z turbiny T a procházejícími rovněž ejektorem, aby po té unikly do ovzduší. Oddělovaný a ohřátý proud A‘ stlačeného vzduchu je nyní vstřikován do sběrače výfukových plynů CE, aby se zde směšoval s výfukovými plyny napájejícími turbinu.

Toto výhodné provedení vynálezu bude

6 nyní · popsáno. V následujících obrázcích jsou veškeré prvky a přídavná ústrojí, které netvoří součást vynálezu a nejsou nezbytné pro jeho pochopení, pro větší názornost vypuštěny.

Příklad provedení, znázorněný na obr. 2, ukazuje motor s vnitřním spalováním jako dieselový motor 1 s alespoň jednou řadou válců 2 uspořádaných vedle sebe v počtu například šesti. Motor by mohl samozřejmě obsahovat několik řad válců, například dvě řady uspořádané do tvaru písmene V. V tomto případě by byl s výhodou opatřen přeplňovacím ústrojím na každou řadu válců. Rada, nebo každá řada válců tohoto motoru je opatřena rozdělovačem vzduchu 3 a alespoň jedním sběračem spalných plynů 4, který je v případě jedné řady se čtyřmi až deseti válci s výhodou jeden na řadu a má modulovou konstrukci typu měniče impulsů, složenou ze shodných dílů s konstantním průchozím průřezem po celé délce sběrače. Takový sběrač je popsán zejména ve francouzském patentovém spise č. 77 1937 a v jeho prvním a druhém dodatku 78 01782 a č. 79 22234.

Takový sběrač výfukových plynů s modulovou konstrukcí typu měniče impulsů je upevněn nepoddajné a přímo na výstup výfukových plynů z hlavy motoru.

Motor 1, tvořící volumetrický hnací systém nebo jeho část, je přeplňován turbokompresním systémem s jednou nebo více etážemi, jehož kompresor na vyvíjení stlačeného vzduchu je přímo mechanicky poháněn turbinovým motorem. Ve znázorněném příkladě je kompresní část turbokompresního systému tvořena kompresorem 7, a turbinová část je tvořena turbinou 8, mechanicky přímo spřaženou s kompresorem 7 hřídelem 9. Výstup kompresoru 7 je připojen výtlačným potrubím 10 k rozdělovači 3 motoru 1, a to přes chladič 11 konečného stlačeného vzduchu, sloužící pro chlazení přeplňovacího stlačeného vzduchu. Průchozí dráha horkého stlačeného vzduchu, který se má ochladit, je začleněna do série s výtlačným potrubím.

Vstupní otvor turbiny 8 je připojen potrubím 12 k výstupnímu otvoru sběrače 4 výfukových plynů motoru. Proud oddělovaný od vyvíjeného stlačeného vzduchu je zde odebírán před chlazením stlačeného vzduchu prostřednictvím oddělovacího potrubí 13, napojeného svým vstupním koncem na výtlačné potrubí 10 před chladičem 11 stlačeného vzduchu, a svým výstupním koncem například na přední konec sběrače výfukových plynů 4, takže proud oddělovaného ohřátého stlačeného vzduchu je vháněn do sběrače výfukových plynů 4 v místě, ve kterém mají výfukové plyny okamžitý nejnižší tlak. Toto místo zavádění stlačeného vzduchu na vstupním konci sběrače je výhodné, neboť první válec motoru může eventuálně náplň nasávat.

Průtok oddělovaného proudu stlačeného vzduchu je s výhodou regulovatelný tak, aby podle volby mohl být měněn tak, že se přeruší nebo zastaví při spouštění hnacího volumetrického systému, když je jeho výkon dostatečně vysoký k tomu, aby účinnost turbinového motoru a kompresoru byla dobrá. K tomuto účelu je oddělovací potrubí 13 opatřeno· šoupátkem 16 nebo odpovídajícím uzávěrem, který může být buď dvoupolohový s rozlišováním plně uzavřené a plně otevrené polohy, nebo· s postupným uzavíráním a otevíráním, aby bylo možno nechat lépe růst průtokové množství stlačeného vzduchu s klesající rychlostí otáčení motoru 1. Toto šoupátko bude muset být uzavřeno nad určitou úrovní výkonu, takže jeho ovládání může být aktivováno^ okamžitou hodnotou tlaku vzduchu vytlačovaného kompresorem, nebo tlakem vzduchu v místě vstupu do motoru, jelikož tlak stlačeného vzduchu na výstupu z kompresoru je alespoň přibližně úměrný výkonu motoru, a to v poměrně širokém rozsahu rychlostí otáčení.

Aby se zabránilo jakémukoli obrácení smyslu průtoku stlačeného vzduchu v oddělovacím potrubí 13, je zapotřebí, aby tlak výfukových plynů ve sběrači 4 byl nižší, než je tlak stlačeného vzduchu v oddělovacím potrubí 13. Pro samočinné zabránění takové změně smyslu proudění je do oddělovacího potrubí s výhodou včleněna zpětná klapka 17, a to s výhodou před šoupátko 16. Je-li šoupátko 16 dvoupolohového typu, bude muset být uzavřeno zejména při spouštění motoru 1, kdy je tlak přiváděného vzduchu nulový, a také když je tlak plynů ve sběrači 4 vyšší, než je tlak stlačeného vzduchu v oddělovacím potrubí, a to zejména při nepřítomnosti zpětné klapky nebo ventilu.

Vynález se výhodně hodí pro použití v generátoru energie, sestávajícího obecně z pístového motoru s vnitrním spalováním, z alespoň jednoho kompresoru pro vyvíjení stlačeného vzduchu, a z alespoň jedné plynové turbiny s přítomností mechanického spřažení mezi alespoň dvěma z těchto tří jednotek, jakož i se spřažením prostřednictvím plynného prostředí mezi motorem a turbinou a mezi kompresorem a motorem a případně i mezi kompresorem a turbinou.

Zužitkovatelná mechanická energie může být odebírána buď na hřídeli motoru, nebo na hřídeli turbiny, anebo popřípadě současně na obou hřídelích. V tomto posledním případě jsou užitné energie, odebírané na jednotlivých hřídelích, ve vzájemné nepřímo úměrné závislosti. V současně uvažovaném motoru tvořícím generátor plynu je kompresor 7 přímo mechanicky spražen spojením 18, vyznačeném čerchovaně na obr. 2, s hřídelem 5 motoru 1 s vnitřním spalováním, který tedy již není přímo spřažen se zátěží 6. Turbina 8 je mechanicky oddělena od motokompresní skupiny, tj. již není me chanicky spřažena s kompresorem. V tomto případě kompresor 7 pohlcuje veškerou užitečnou energii motoru 1, která je přenášena prostřednictvím vytlačovaného stlačeného vzduchu z kompresoru a prostřednictvím výfukových plynů z motoru na turbinu 8, která tedy slouží jako jediné odběrní místo vyráběné energie a unáší také užitné zařízení 6‘ · svým výstupním hřídelem 19, a to eventuálně prostřednictvím reduktoru rychlosti. Takové uspořádání vyžaduje, aby kompresní poměr byl velmi vysoký.

Aby se vyloučil výše uvedený požadavek, může být výhodné absorbovat část užitné energie motoru 1 měničem momentu 20, s výhodou hydraulického typu, spojujícího mechanické přenosové ústrojí mezi motorem a kompresorem s mechanickým přenosovým ústrojím mezi turbinou a užitným zařízením. Je též případně možné kombinovat použití uvedeného· motoru se způsobem provedení znázorněném na obr. 2, a to vytvořením rozpojitelného spoje nebo vypojitelného spřažení na hřídeli 9 mezi kompresorem 7 a turbinou 8.

Je třeba poznamenat, že když veškerou užitečnou energii poskytuje turbina, mohl by motor s vnitřním spalováním případně být řešen jako motor s volnými písty.

V příkladě provedení podle obr. 2 se přívod energie do· oddělovaného stlačeného vzduchu děje ve formě tepla a silovým účinkem při přímém směšování alespoň převažující části odděleného proudu stlačeného vzduchu s alespoň částí proudu plynu vystupujícího ze systému turbinového motoru, zejména turbulentním účinkem nasávajícím a unášejícím uvedený plyn stlačeným vzduchem působícím ve formě alespoň jednoho vzduchového proudu. K tomuto· účelu slouží alespoň jeden blok 27 pro rekuperarace ve tvaru ejektoru, jehož vedení 27a unášecího tekutého média je sériově vřazeno do oddělovacího potrubí 13 stlačeného vzduchu, zatímco jeho sací hrdlo 27b pro unášené médium je napojeno s výhodou odpojovacím kanálem 15‘ na výstupní potrubí 15 pro plyn z turbiny 8. Na výstupu z ejektoru bloku 27 pro rekuperaci je směs plynu a stlačeného vzduchu vedena oddělovacím potrubím 13 s výhodou do sběrače 4 výfukových plynů motoru 1 podle již popsaného uspořádání.

V předchozích způsobech provedení byla turbina obvykle axiálního typu a její vstup pro plyn je obvykle napojen na přívodní potrubí výfukových plynů difuzorem, a to obzvláště v případě sběrače výfukových plynů modulové konstrukce typu měniče impulsů. Pro získání lepšího zužitkování kinetické energie plynů je však výhodné zachovat vysokou rychlost plynů existující ve výstupní části sběrače výfukových plynů tím, že se zruší uvedený difuzor a výstup sběrače nebo potrubí pro přívod výfukových plynů se spojí se vstupem do turbiny spirálou 28 nebo · podobným prostředkem, jehož průchozí profil pro výfukové plyny se postupně zmenšuje od vstupu 28a do spirály až ke kolu 8a · turbiny 8, jak je to znázorněno na obr. 8 až 10 ve výkresech. To vyžaduje vypuštění rozdělovače turbiny, jehož řídicí funkce je zajišťována spirálou, zatímco jeho urychlovací funkce · je zajišťována sběračem výfukových plynů.

Taková spirála byla popsána v prvním dodatku č. 78 01782 francouzského hlavního patentu č. 77 01937. V tomto posledním provedení je spojení mezi výstupem sběrače výfukových plynů 4 a axiální turbinou 8 zajištěno spirálou 28, osazenou na rám nebo těleso turbiny tak, aby zakrývala kolo 8a turbiny s radiálními lopatkami 8d. Jak již bylo naznačeno, má tato spirála 28 takový tvar, že průchozí profil pro výfukové plyny se postupně zmenšuje, takže rychlost dopadu na kolo 8a turbiny výfukovými plyny je po celém obvodu tohoto kola konstantní.

V provedení podle obr. 3 a 5 je alespoň část odděleného proudu stlačeného vzduchu, opatřeného výše uvedeným dodáním energie, vháněna do spirály 28 pod úhlem a, který je eventuálně volitelný proměnlivý ve spirále 28, která spojuje alespoň jeden sběrač výfukových plynů 4 motoru 1 s alespoň jednou turbinou 8, v podstatě v bodě tečného spojení vstupní dráhy výfukových plynů do spirály s počátkem jejich zakřivené dráhy ve spirále. Vyvolá se tak výchylka této dráhy za účelem příznivého ovlivnění rychlostního trojúhelníku dopadu na pohyblivé lopatky kola turbiny, a to pod úhlem a přizpůsobovaným podle volby proměnlivým způsobem podle okamžitého stavu funkce turbiny.

Zlepší se tak podstatně rychlostní profil turbiny, což ještě zvyšuje účinnost opětného zavádění teplého vzduchu do oběhu. Za tímto účelem je oddělovací potrubí 13 nebo jiné potrubí pro oddělování vzduchu, zejména nepředehřívaného, napojeno svým výstupním koncem a způsobem eventuálně libovolně orientovatelným, na spirálu 28 pro přímé spojení alespoň jednoho sběrače 4 výfukových plynů motoru 1 s alespoň jednou turbinou 8, a to v bodě spojení přímé vstupní trubní části 28a turbiny k přilehlému konci zakřivené ' dráhy v této spirále. Toto napojení může být zajištěno nátrubkem 29, připojeným kupříkladu otáčivě ke spirále 28.

Principy vynálezu, vysvětlené zde pro provedení podle obr. 3 až 5, kde šlo o axiální turbinu, jsou kromě toho pro příznivé ovlivňování rychlostního trojúhelníku ve svém použití převoditelné na dostředivé turbiny.

Claims (6)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Zařízení pro rekuperaci tepla obsaženého v odpadních plynech, vystupujících z turbiny poháněné výfukovými plyny ze sběrače výfukových plynů spalovacího motoru, a pro jeho předávání výfukovým plynům na vstupní straně turbiny, přičemž turbina tvoří součást turbokompresní skupiny o alespoň jednom stupni obsahujícím rovněž kompresor pro vyvíjení přeplňovacího vzduchu, spojený potrubím se sběračem přívodního vzduchu do motoru, a spřažený s turbinou poháněnou výfukovými plyny, přičemž zařízení obsahuje oddělovací potrubí stlačeného vzduchu, spojující potrubí pro vedení přeplňovacího stlačeného vzduchu s výstupní stranou válců motoru, a blok pro rekuperaci a předávání tepelné energie odpadních plynů, vystupujících z turbiny, stlačenému vzduchu odebíranému uvedeným, oddělovacím potrubím, vyznačené tím, že blok (27) pro rekuperaci a předávání tepla je ejektor, jehož sací hrdlo (27b) pro nasávání unášeného tekutého prostředí je napojeno na výstup turbiny (8), zatímco vedení (27a) unášecího tekutého prostředí je sériově vřazeno do oddělovacího potrubí (13).
2. 2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že oddělovací potrubí (13) je napojeno na vstupní konec sběrače výfukových plynů motoru.
3. 3. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že oddělovací potrubí (13) je napojeno na potrubí (12) spojující sběrač výfukových plynů s turbinou.
4. 4. Zařízení podle bodu 3, vyznačené tím, že oddělovací potrubí (13) je napojeno na spirálu (28) turbiny, přímo^ spojující sběrač (4) výfukových plynů s turbinou (8).
5. 5. Zařízení podle bodů 1 až 4, vyznačené tím, že do oddělovacího potrubí (13) je vřazena zpětná klapka (17).
6. 6. Zařízení podle bodů 1 až 5, vyznačené tím, že oddělovací potrubí (13) je napojeno na potrubí (10) pro vedení stlačeného vzduchu před chladičem (11) stlačeného vzduchu, osazeným v tomto potrubí.