RU160243U1

RU160243U1 - DEVICE FOR HEATING THE HEAT

Info

Publication number: RU160243U1
Application number: RU2015131043/06U
Authority: RU
Inventors: Юрий Апполоньевич Сазонов; Михаил Альбертович Мохов
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Устройство для нагрева теплоносителя, содержащее источник механической энергии в виде газовой турбины с входным газовым каналом и выходным газовым каналом, соединенный с газовой турбиной насос, имеющий рабочее колесо, корпус с входным жидкостным каналом и выходным жидкостным каналом, а жидкостные каналы соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным жидким теплоносителем, отличающееся тем, что рабочее колесо насоса содержит диск из токопроводящего материала, а в корпусе насоса по окружности размещены постоянные магниты, причем полярность магнитов чередуется в окружном направлении, с обеспечением возможности для наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала.A device for heating a coolant containing a mechanical energy source in the form of a gas turbine with an inlet gas channel and an outlet gas channel, a pump having an impeller, a housing with an inlet liquid channel and an outlet liquid channel connected to a gas turbine, and the liquid channels are connected to an external closed pipeline a circuit filled with a liquid coolant, characterized in that the impeller of the pump contains a disk of conductive material, and constant m rot, the polarity of the magnets alternate in the circumferential direction, ensuring the possibility to induce eddy currents in the disk of a conductive material.

Description

Полезная модель относится к области добычи газа, газового конденсата и нефти, и может быть использована в других отраслях производства для преобразования энергии сжатого газа в тепловую энергию.The utility model relates to the field of gas, gas condensate and oil production, and can be used in other industries to convert compressed gas energy into thermal energy.

Известным техническим решением является устройство для нагрева теплоносителя, содержащее источник механической энергии в виде газовой турбины с входным газовым каналом и выходным газовым каналом, соединенный с газовой турбиной насос, имеющий рабочее колесо, корпус с входным жидкостным каналом и выходным жидкостным каналом, а жидкостные каналы соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным теплоносителем [Патент на полезную модель №49960. МПК⁷ F24H 4/00, F24D 3/02. Устройство для нагрева теплоносителя. - Опубликовано: 10.12.2005 Бюл.34].A well-known technical solution is a device for heating a coolant containing a mechanical energy source in the form of a gas turbine with an inlet gas channel and an outlet gas channel, a pump having a impeller, a housing with an inlet liquid channel and an outlet liquid channel connected to a gas turbine, and the liquid channels are connected with an external closed pipeline circuit filled with coolant [Utility Model Patent No. 49960. IPC ⁷ F24H 4/00, F24D 3/02. Device for heating the coolant. - Published: December 10, 2005 Bul. 34].

Недостатком известного устройства является то, что устройство для нагрева теплоносителя снижает эффективность работы при изменении давления и расхода газа в турбине.A disadvantage of the known device is that the device for heating the coolant reduces the efficiency when changing the pressure and gas flow in the turbine.

Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является повышение эффективности и расширение области применения устройства для нагрева теплоносителя.The task to which this technical solution is directed is to increase the efficiency and expand the scope of the device for heating the coolant.

Техническим результатом является создание более совершенной конструкции устройства для нагрева теплоносителя, что позволит повысить эффективность работы при изменении давления и расхода газа в турбине.The technical result is the creation of a more advanced design of the device for heating the coolant, which will improve the efficiency when changing the pressure and gas flow in the turbine.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для нагрева теплоносителя содержит источник механической энергии в виде газовой турбины, в состав которой входят корпус турбины, ротор турбины. Корпус турбины оснащен входным газовым каналом и выходным газовым каналом. Через трансмиссию газовая турбина соединена с насосом. Насос имеет рабочее колесо, корпус с входным жидкостным каналом и выходным жидкостным каналом. Жидкостные каналы соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным жидким теплоносителем. Во внешний замкнутый трубопроводный контур включен потребитель тепловой энергии. Рабочее колесо насоса содержит диск из токопроводящего материала. В корпусе насоса по окружности размещены постоянные магниты, причем полярность магнитов чередуется в окружном направлении, с обеспечением возможности для наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала. На общем валу размещены ротор турбины, рабочее колесо насоса и диск из токопроводящего материала.The specified technical result is achieved in that the device for heating the coolant contains a source of mechanical energy in the form of a gas turbine, which includes a turbine housing, a turbine rotor. The turbine housing is equipped with an inlet gas channel and an outlet gas channel. Through the transmission, the gas turbine is connected to the pump. The pump has an impeller, a housing with an inlet fluid channel and an outlet fluid channel. The liquid channels are connected to an external closed pipeline circuit filled with liquid coolant. An external closed pipeline circuit includes a consumer of thermal energy. The impeller of the pump contains a disk of conductive material. Permanent magnets are placed around the circumference in the pump casing, and the polarity of the magnets alternates in the circumferential direction, providing the possibility for inducing eddy currents in a disk of conductive material. A turbine rotor, a pump impeller and a disk of conductive material are placed on a common shaft.

Заявляемое техническое решение обеспечивает повышение эффективности работы при изменении давления и расхода газа в турбине. Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения может быть многократно использована в производстве устройств для нагрева теплоносителя.The claimed technical solution provides increased efficiency when changing the pressure and gas flow in the turbine. The set of essential features of the claimed technical solution can be repeatedly used in the manufacture of devices for heating the coolant.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения станут понятными при рассмотрении вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемый графический материал.These advantages, as well as the features of this technical solution will become clear when considering options for its implementation with reference to the attached graphic material.

На фигуре изображена схема предлагаемого устройства для нагрева теплоносителя.The figure shows a diagram of the proposed device for heating the coolant.

Устройство для нагрева теплоносителя содержит источник механической энергии в виде газовой турбины, в состав которой входят корпус турбины 1, ротор турбины 2. Корпус турбины 1 оснащен входным газовым каналом 3 и выходным газовым каналом 4. Через трансмиссию 5 газовая турбина соединена с насосом. Насос имеет рабочее колесо 6, корпус 7 с входным жидкостным каналом 8 и выходным жидкостным каналом 9. Рабочее колесо 6 может иметь различные исполнения, в том числе исполнение в виде лопастного рабочего колеса (как в известных лопастных насосах) или исполнение в виде дискового рабочего колеса (как в известных дисковых насосах). Жидкостные каналы 8 и 9 соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром 10, заполненным жидким теплоносителем. Во внешний замкнутый трубопроводный контур 10 включен потребитель тепловой энергии 11. Рабочее колесо 6 насоса содержит, по крайней мере, один диск 12 из токопроводящего материала. Возможно применение двух и более дисков 12, установленных вместе с рабочим колесом 6 на валу 14. В корпусе 7 насоса по окружности размещены постоянные магниты 13, причем полярность магнитов чередуется в окружном направлении, с обеспечением возможности для наведения вихревых токов в диске 12 из токопроводящего материала. На общем валу 14 размещены ротор турбины 2, рабочее колесо 6 насоса и диск 12 из токопроводящего материала. В качестве токопроводящего материала, к примеру, могут использовать алюминиевые, титановые или медные сплавы. Диск 12 может быть цельным, кроме того диск 12 может быть выполнен сборным, состоящим из нескольких частей, и эти части могут отличаться геометрическими размерами и типом используемого конструкционного материала. Трансмиссия 5 может содержать подшипниковые опоры для размещения вала 14, а также уплотнительные устройства для разобщения полости с газом от полости с жидким теплоносителем (уплотнительное устройство на фигуре не показано).A device for heating the coolant contains a mechanical energy source in the form of a gas turbine, which includes a turbine housing 1, a turbine rotor 2. The turbine housing 1 is equipped with an inlet gas channel 3 and an outlet gas channel 4. Through a transmission 5, the gas turbine is connected to the pump. The pump has an impeller 6, a housing 7 with an inlet fluid channel 8 and an outlet fluid channel 9. The impeller 6 may have various designs, including a vane impeller version (as in known vane pumps) or a disk impeller version (as in well-known disk pumps). The fluid channels 8 and 9 are connected to an external closed pipeline circuit 10 filled with a liquid coolant. A heat energy consumer 11 is included in an external closed pipeline circuit 10. The impeller 6 of the pump contains at least one disk 12 of conductive material. It is possible to use two or more disks 12 mounted together with the impeller 6 on the shaft 14. Permanent magnets 13 are arranged around the circumference in the pump housing 7, and the polarity of the magnets alternates in the circumferential direction, providing eddy currents in the disk 12 made of conductive material . On the common shaft 14 are placed the rotor of the turbine 2, the impeller 6 of the pump and the disk 12 of conductive material. As a conductive material, for example, aluminum, titanium or copper alloys can be used. The disk 12 may be integral, in addition, the disk 12 may be prefabricated, consisting of several parts, and these parts may differ in geometric dimensions and the type of structural material used. Transmission 5 may include bearing bearings for accommodating shaft 14, as well as sealing devices for decoupling the cavity with gas from the cavity with the liquid coolant (the sealing device is not shown in the figure).

Устройство для нагрева теплоносителя работает следующим образом.A device for heating the coolant operates as follows.

Устройство для нагрева теплоносителя содержит источник механической энергии в виде газовой турбины, в состав которой входят корпус турбины 1, ротор турбины 2. Корпус турбины 1 оснащен входным газовым каналом 3 и выходным газовым каналом 4. Сжатый газ подают во входной газовый канал 3. В корпусе турбины 1 потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию, скоростной поток газа оказывает силовое воздействие на ротор турбины 2, вовлекая его во вращательное движение. При этом кинетическая энергия газа преобразуется в механическую энергию. Механическую энергию через вал 14 и трансмиссию 5 передают на рабочее колесо 6 насоса. На общем валу 14 размещены ротор турбины 2, рабочее колесо 6 насоса и диск 12 из токопроводящего материала. Насос имеет рабочее колесо 6, корпус 7 с входным жидкостным каналом 8 и выходным жидкостным каналом 9. Жидкостные каналы 8 и 9 соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром 10, заполненным жидким теплоносителем. В качестве жидкого теплоносителя могут использовать воду, масло или другие технические жидкости, применяемые в системах теплового снабжения и в теплообменниках. Рабочее колесо 6 насоса оказывает силовое воздействие на жидкий теплоноситель и создает поток жидкого теплоносителя. При вращении диск 12 также оказывает силовое воздействие на жидкий теплоноситель, за счет сил трения как в известных дисковых насосах. Часть механической энергии, таким образом, преобразуется в гидравлическую энергию с обеспечением циркуляции жидкого теплоносителя. Поток направлен от центра рабочего колеса 6 к выходному жидкостному каналу 9, что обусловлено действием центробежных сил при вращении жидкости внутри корпуса 7 насоса. От выходного жидкостного канала 9 поток отводят во внешний замкнутый трубопроводный контур 10, в который включен потребитель тепловой энергии 11. Далее поток возвращают к входному жидкостному каналу 8 и цикл циркуляции жидкого теплоносителя повторяется. При таком движении жидкого теплоносителя, как известно, гидравлическая энергия преобразуется в тепловую энергию, что обусловлено наличием гидравлических потерь энергии в местных гидравлических сопротивлениях и потерь на трение при движении жидкого теплоносителя в каналах замкнутого трубопроводного контура 10.A device for heating the coolant contains a mechanical energy source in the form of a gas turbine, which includes a turbine housing 1, a turbine rotor 2. The turbine housing 1 is equipped with an inlet gas channel 3 and an outlet gas channel 4. Compressed gas is supplied to the inlet gas channel 3. In the housing of turbine 1, the potential energy of the gas is converted into kinetic energy, the high-speed gas flow exerts a force effect on the rotor of turbine 2, involving it in rotational motion. In this case, the kinetic energy of the gas is converted into mechanical energy. Mechanical energy through the shaft 14 and the transmission 5 is transmitted to the impeller 6 of the pump. On the common shaft 14 are placed the rotor of the turbine 2, the impeller 6 of the pump and the disk 12 of conductive material. The pump has an impeller 6, a housing 7 with an inlet fluid channel 8 and an outlet fluid channel 9. The fluid channels 8 and 9 are connected to an external closed pipe circuit 10 filled with a liquid coolant. Water, oil or other technical fluids used in heat supply systems and heat exchangers can be used as a liquid coolant. The impeller 6 of the pump exerts a force on the heat transfer fluid and creates a flow of heat transfer fluid. During rotation, the disk 12 also exerts a force effect on the liquid coolant, due to friction forces as in the known disk pumps. Part of the mechanical energy is thus converted into hydraulic energy with the circulation of the liquid coolant. The flow is directed from the center of the impeller 6 to the output fluid channel 9, which is due to the action of centrifugal forces during rotation of the fluid inside the pump housing 7. From the output liquid channel 9, the flow is diverted to an external closed pipeline circuit 10, into which the consumer of thermal energy 11 is included. Next, the stream is returned to the input liquid channel 8 and the cycle of circulation of the liquid coolant is repeated. With this movement of the liquid coolant, it is known that hydraulic energy is converted into thermal energy, which is due to the presence of hydraulic energy losses in local hydraulic resistances and friction losses during the movement of the liquid coolant in the channels of the closed pipeline circuit 10.

Рабочее колесо 6 насоса содержит диск 12 из токопроводящего материала. В корпусе 7 насоса по окружности размещены постоянные магниты 13, причем полярность магнитов чередуется в окружном направлении, с обеспечением возможности для наведения вихревых токов в диске 12 из токопроводящего материала. Как известно, при движении токопроводящего тела через магнитное поле, наводятся вихревые токи в самом токопроводящем теле, к примеру, эти процессы описаны в работе - [Ободовский Ю.В. Динамика механических устройств с постоянными магнитами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - 2004. - 18 с.]. За счет вихревых токов обеспечивают нагрев диска 12 из токопроводящего материала. Поскольку диск 12 размещен внутри корпуса 7 насоса, который заполнен жидким теплоносителем, тепловая энергия передается от диска 12 к жидкому теплоносителю, циркулирующему по замкнутому трубопроводному контуру 10. Таки образом, часть механической энергии преобразуют в тепловую энергию за счет вихревых токов в диске 12. Эта часть рабочего процесса не зависит от режима циркуляции жидкого теплоносителя, соответственно, эта часть рабочего процесса поддается независимой регулировке, например за счет изменения числа постоянных магнитов 13. Или за счет изменения зазора между магнитом 13 и диском 12, как в известных магнитных системах для вихретоковых замедлителей, в рамках известного электродинамического способа торможения. Как известно, при решении задачи о прохождении токопроводящего тела вдоль магнитной системы выбирается основной элемент торможения машин - цепочка постоянных магнитов с чередующейся полярностью. При выборе типа применяемых постоянных магнитов обеспечивается регулировка магнитной системы, с учетом возможного изменения количества магнитов в системе, с учетом изменения зазоров при установке магнитов. Известно также использование магнитных систем для преобразования механической энергии в тепловую энергию, где в качестве замедлителя используют магнитную муфту. При изменении давления и расхода газа в турбине изменяется частота вращения вала 14 и изменяется крутящий момент на валу 14, в этом случае для поддержания оптимального режима работы газовой турбины изменяют и режим работы насоса, и режим работы магнитной системы, с применением описанных выше способов регулирования.The impeller 6 of the pump contains a disk 12 of conductive material. Permanent magnets 13 are placed around the circumference in the pump housing 7, and the polarity of the magnets alternates in the circumferential direction, providing eddy currents in the disk 12 made of conductive material. As you know, when a conductive body moves through a magnetic field, eddy currents are induced in the conductive body itself, for example, these processes are described in - [Obodovsky Yu.V. Dynamics of mechanical devices with permanent magnets // Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences. - St. Petersburg: St. Petersburg State Polytechnic University. - 2004. - 18 p.]. Due to the eddy currents provide heating of the disk 12 of the conductive material. Since the disk 12 is placed inside the pump housing 7, which is filled with liquid heat carrier, thermal energy is transferred from the disk 12 to the liquid coolant circulating in the closed pipeline 10. Thus, part of the mechanical energy is converted into thermal energy due to eddy currents in the disk 12. This part of the working process does not depend on the mode of circulation of the liquid coolant, respectively, this part of the working process can be independently adjusted, for example, by changing the number of permanent magnets 13. Or for due to changes in the gap between the magnet 13 and the disk 12, as in the known magnetic systems for eddy current moderators, in the framework of the known electrodynamic braking method. As you know, when solving the problem of the passage of a conductive body along the magnetic system, the main element of machine braking is selected - a chain of permanent magnets with alternating polarity. When choosing the type of permanent magnets used, the magnetic system is adjusted, taking into account the possible change in the number of magnets in the system, taking into account the change in the gaps when installing the magnets. It is also known to use magnetic systems to convert mechanical energy into thermal energy, where a magnetic clutch is used as a moderator. When the pressure and gas flow in the turbine change, the rotational speed of the shaft 14 changes and the torque on the shaft 14 changes, in this case, both the pump operation mode and the magnetic system operation mode are changed to maintain the optimal gas turbine operation mode, using the control methods described above.

В предлагаемом техническом решении используют два способа преобразования механической энергии в тепловую энергию, это гидравлический способ и способ на основе вихревых токов (электродинамический способ). С использование двух различных по природе процессов удается оптимизировать конструкцию устройства для нагрева теплоносителя, расширить возможности для регулирования устройства, и повысить, соответственно, эффективность работы при изменении давления и расхода газа в турбине. Более широкие возможности для регулирования способствуют расширению области эффективного применения устройства для нагрева теплоносителя. С применением заявляемого технического решения имеются возможности для снижения массы и габаритов устройства для нагрева теплоносителя, в том числе для снижения массы насоса и замкнутого трубопроводного контура в целом. Достигается технический результат по созданию более совершенной конструкции устройства для нагрева теплоносителя, что позволяет повысить эффективность работы при изменении давления и расхода газа в турбине.The proposed technical solution uses two methods of converting mechanical energy into thermal energy, this is a hydraulic method and a method based on eddy currents (electrodynamic method). Using two processes of a different nature, it is possible to optimize the design of the device for heating the coolant, expand the capabilities for regulating the device, and increase, accordingly, the efficiency when changing pressure and gas flow in the turbine. Wider regulatory possibilities contribute to expanding the field of effective use of the device for heating the coolant. Using the proposed technical solution, there are opportunities to reduce the mass and dimensions of the device for heating the coolant, including to reduce the mass of the pump and the closed pipeline circuit as a whole. A technical result is achieved by creating a more advanced design of the device for heating the coolant, which improves the efficiency when changing the pressure and gas flow in the turbine.

Claims

A device for heating a coolant containing a mechanical energy source in the form of a gas turbine with an inlet gas channel and an outlet gas channel, a pump having an impeller, a housing with an inlet liquid channel and an outlet liquid channel connected to a gas turbine, and the liquid channels are connected to an external closed pipeline a circuit filled with a liquid coolant, characterized in that the impeller of the pump contains a disk of conductive material, and constant m rot, the polarity of the magnets alternate in the circumferential direction, ensuring the possibility to induce eddy currents in the disk of a conductive material.