RU168662U1

RU168662U1 - DEVICE FOR HEATING THE HEAT

Info

Publication number: RU168662U1
Application number: RU2016121709U
Authority: RU
Inventors: Юрий Апполоньевич Сазонов; Михаил Альбертович Мохов; Михаил Александрович Франков
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2017-02-14

Abstract

Использование: 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. Сущность: устройство для нагрева теплоносителя содержит газовую турбину, состоящую из корпуса с входным и выходным газовыми каналами, в котором размещен ротор турбины, расположенный на одном валу с насосом. В полости корпуса ротора расположены рабочее колесо насоса и диск из токопроводящего материала и который имеет входной и выходной каналы для теплоносителя, связанные между собой с образованием внешнего замкнутого трубопроводного контура, заполненного теплоносителем, а также магнитная система, состоящая, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов с чередующейся полярностью в окружном направлении, с обеспечением наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала. При этом устройство снабжено, по меньшей мере, одним магнитопроводом, установленным коаксиально над магнитной системой с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно постоянных магнитов для обеспечения регулирования величины магнитного потока. Полезная модель позволяет обеспечить постоянную частоту вращения вала турбины в условиях изменения плотности теплоносителя за счет бесступенчатого регулирования крутящего момента на валу турбины и насоса. 1 ил.Usage: 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. SUBSTANCE: device for heating a heat carrier contains a gas turbine, consisting of a housing with gas inlet and outlet channels, in which a turbine rotor is located, located on one shaft with a pump. In the cavity of the rotor housing there are a pump impeller and a disk of conductive material and which has input and output channels for the coolant, interconnected with the formation of an external closed pipeline circuit filled with coolant, as well as a magnetic system consisting of at least two constant magnets with alternating polarity in the circumferential direction, ensuring the induction of eddy currents in a disk of conductive material. Moreover, the device is equipped with at least one magnetic circuit installed coaxially above the magnetic system with the possibility of reciprocating movement relative to the permanent magnets to ensure control of the magnitude of the magnetic flux. The utility model makes it possible to ensure a constant rotational speed of the turbine shaft under conditions of a change in the density of the coolant due to stepless regulation of the torque on the turbine shaft and pump. 1 ill.

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.

Известно 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 и корпус с входным жидкостным каналом и выходным жидкостным каналом, причем жидкостные каналы соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным теплоносителем (RU 49960, 2005).A device for heating a coolant is known, 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 and a casing with an inlet liquid channel and an outlet liquid channel, the liquid channels being connected to an external closed pipeline circuit filled with coolant (RU 49960, 2005).

К существеннму недостатку указанного решения относится снижение эффективности его работы при изменении давления и расхода газа в турбине.A significant drawback of this solution is the decrease in its efficiency when changing the pressure and gas flow in the turbine.

Наиболее близким известным техническим решением предлагаемому по назначению и технической сущности 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 и корпус с входным жидкостным и выходным жидкостным каналами, которые соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром, заполненным жидким теплоносителем, рабочее колесо насоса содержит диск из токопроводящего материала, причем в корпусе насоса по окружности размещены постоянные магниты, а полярность магнитов чередуется в окружном направлении с обеспечением возможности наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала (RU 160243, 2016).The closest known technical solution to the intended purpose and the technical essence 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 connected to a gas turbine, having an impeller and a housing with a liquid inlet and outlet liquid channels that are connected to an external closed pipe loop filled with liquid coolant, the impeller of the pump contains a disk of conductive its material, wherein the pump casing circumferentially arranged permanent magnets, and the polarities of the magnets alternate in the circumferential direction with the possibility of providing guidance to eddy currents in the disk of conductive material (RU 160243, 2016).

Недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании теплоносителя, плотность которого может изменяться в процессе работы (например, при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя), эффективность работы устройства снижается. При изменении давления и расхода газа в турбине изменяется частота вращения вала и изменяется крутящий момент на валу, в этом случае для поддержания оптимального режима работы газовой турбины изменяют и режим работы насоса, и режим работы магнитной системы, что не позволяет поддерживать непрерывность рабочего процесса и обеспечивает ступенчатое регулирование.A disadvantage of the known device is that when using a coolant, the density of which can change during operation (for example, when using gas-liquid mixtures as a coolant), the efficiency of the device is reduced. When the pressure and gas flow in the turbine change, the shaft rotation frequency changes and the torque on the shaft changes, in this case, both the pump operating mode and the magnetic system operating mode are changed to maintain the optimal gas turbine operation mode, which does not allow maintaining the continuity of the working process and ensures step regulation.

Т.е. известные методы ступенчатого регулирования частоты вращения вала турбины не позволяют поддерживать оптимальный режим работы турбины при изменении плотности теплоносителя. Таким образом, данное устройство недостаточно эффективно.Those. known methods of stepwise regulation of the frequency of rotation of the turbine shaft do not allow to maintain the optimal mode of operation of the turbine when changing the density of the coolant. Thus, this device is not effective enough.

Технической проблемой, на решение которой направлена описываемая полезная модель, является обеспечение постоянной частоты вращения вала турбины в условиях изменения плотности теплоносителя.The technical problem to which the described utility model is aimed is to ensure a constant speed of the turbine shaft under conditions of a change in the density of the coolant.

Указанная техническая проблема решается тем, что устройство для нагрева теплоносителя содержит газовую турбину, состоящую из корпуса с входным и выходным газовыми каналами, в котором размещен ротор турбины, расположенный на одном валу с насосом, в полости корпуса которого расположены рабочее колесо насоса и диск из токопроводящего материала и который имеет входной и выходной каналы для теплоносителя, связанные между собой с образованием внешнего замкнутого трубопроводного контура, заполненного теплоносителем, и магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов с чередующейся полярностью в окружном направлении с обеспечением наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала, согласно полезной модели, оно снабжено, по меньшей мере, одним магнитопроводом, установленным коаксиально над магнитной системой с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно постоянных магнитов для обеспечения регулирования величины магнитного потока.The indicated technical problem is solved in that the device for heating the coolant comprises a gas turbine, consisting of a housing with inlet and outlet gas channels, in which the turbine rotor is located, located on the same shaft with the pump, in the cavity of the housing of which the impeller of the pump and the disk of conductive material and which has input and output channels for the coolant, interconnected with the formation of an external closed pipeline circuit filled with coolant, and a magnetic system, co consisting of at least two permanent magnets with alternating polarity in the circumferential direction to ensure eddy currents are induced in a disk of conductive material, according to a utility model, it is provided with at least one magnetic circuit mounted coaxially above the magnetic system with the possibility of return translational movement relative to permanent magnets to ensure regulation of the magnitude of the magnetic flux.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении бесступенчатого регулирования крутящего момента на валу турбины и насоса.Achievable technical result is to provide stepless regulation of torque on the shaft of the turbine and pump.

На фигуре изображено описываемое устройство для нагрева теплоносителя.The figure shows the described device for heating the coolant.

Устройство содержит корпус 1 турбины, в котором расположен ротор 2 турбины. Корпус 1 турбины оснащен входным газовым каналом 3 и выходным газовым каналом 4. Через трансмиссию 5 газовая турбина соединена с насосом, в корпусе 6 которого расположено рабочее колесо 7. Корпус 6 имеет входной канал 8 для теплоносителя и выходной канал 9 для теплоносителя. Каналы 8 и 9 для теплоносителя соединены с внешним замкнутым трубопроводным контуром 10 для циркуляции теплоносителя. Во внешний замкнутый трубопроводный контур 10 включен потребитель тепловой энергии 11. Рабочее колесо насоса содержит, по меньшей мере, один диск 12 из токопроводящего материала. Устройство также содержит магнитную систему, состоящую, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов 13 с чередующейся полярностью в окружном направлении, с обеспечением наведения вихревых токов в диске из токопроводящего материала. Устройство также содержит, по меньшей мере, один магнитопровод 14, установленный коаксиально над магнитной системой 13 с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно постоянных магнитов 13 для обеспечения регулирования величины магнитного потока. Ротор 2 турбины, рабочее колесо 7 насоса и диск 12 из токопроводящего материала размещены на общем валу 15. Трансмиссия 5 содержит подшипниковые опоры для размещения вала 15, а также уплотнительные устройства для разобщения полости с газом от полости с жидким теплоносителем (подшипниковые опоры и уплотнительное устройство на фигуре не обозначены).The device comprises a turbine housing 1 in which a turbine rotor 2 is located. 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 a pump, in the housing 6 of which the impeller 7 is located. Housing 6 has an inlet channel 8 for the coolant and an output channel 9 for the coolant. The channels 8 and 9 for the coolant are connected to an external closed pipeline 10 for circulation of the coolant. A thermal energy consumer 11 is included in an external closed pipeline circuit 10. The impeller of the pump contains at least one disk 12 of conductive material. The device also contains a magnetic system consisting of at least two permanent magnets 13 with alternating polarity in the circumferential direction, providing eddy currents in the disk of conductive material. The device also contains at least one magnetic circuit 14 mounted coaxially above the magnetic system 13 with the possibility of reciprocating movement relative to the permanent magnets 13 to provide control of the magnitude of the magnetic flux. The turbine rotor 2, the impeller 7 of the pump and the disk 12 of conductive material are placed on a common shaft 15. The transmission 5 contains bearing bearings for accommodating the shaft 15, as well as sealing devices for decoupling the cavity with gas from the cavity with a liquid coolant (bearing bearings and sealing device not indicated on the figure).

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

Сжатый газ подают во входной газовый канал 3. В корпусе 1 турбины потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию, скоростной поток газа оказывает силовое воздействие на ротор 2 турбины, вовлекая его во вращательное движение. При этом кинетическая энергия газа преобразуется в механическую энергию. Механическую энергию через вал 15 и трансмиссию 5 передают на рабочее колесо 7 насоса. Рабочее колесо 7 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). В качестве токопроводящего материала, к примеру, могут использовать алюминиевые, титановые или медные сплавы.Compressed gas is supplied to the inlet gas channel 3. In the turbine housing 1, the potential energy of the gas is converted into kinetic energy, a high-speed gas flow exerts a force on the rotor 2 of the turbine, involving it in rotational motion. In this case, the kinetic energy of the gas is converted into mechanical energy. Mechanical energy through the shaft 15 and the transmission 5 is transmitted to the impeller 7 of the pump. The impeller 7 may have various designs, including the design in the form of a vane impeller (as in known vane pumps) or the design in the form of a disk impeller (as in known disk pumps). As a conductive material, for example, aluminum, titanium or copper alloys can be used.

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.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.

В процессе циркуляции теплоносителя внутри замкнутого трубопроводного контура 10 плотность теплоносителя может изменяться, например, при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя. Газожидкостная смесь может представлять собой смесь воды и водяного пара при использовании заявляемого устройства в системах подготовки воды или в опреснительных установках. Газожидкостная смесь может представлять собой смесь жидких и газообразных углеводородов при подготовке и при переработке нефти и газа. В качестве теплоносителя можно использовать воду, масло или другие технические жидкости, применяемые в системах теплового снабжения и в теплообменниках.During the circulation of the coolant inside the closed pipeline circuit 10, the density of the coolant may change, for example, when using gas-liquid mixtures as a coolant. The gas-liquid mixture may be a mixture of water and water vapor when using the inventive device in water treatment systems or in desalination plants. The gas-liquid mixture may be a mixture of liquid and gaseous hydrocarbons in the preparation and processing of oil and gas. As a coolant, you can use water, oil or other technical fluids used in heat supply systems and heat exchangers.

Рабочее колесо 7 насоса оказывает силовое воздействие на теплоноситель и создает поток теплоносителя. При вращении диск 12 также оказывает силовое воздействие на теплоноситель за счет сил трения, как в известных дисковых насосах. Часть механической энергии, таким образом, преобразуется в гидравлическую энергию с обеспечением циркуляции теплоносителя. Поток направлен от центра рабочего колеса 7 к выходному каналу 9 для теплоносителя, что обусловлено действием центробежных сил при вращении теплоносителя внутри корпуса 6 насоса. От выходного канала для теплоносителя 9 поток отводится во внешний замкнутый трубопроводный контур 10, в который включен потребитель тепловой энергии 11. Далее поток возвращается к входному каналу 8 для теплоносителя, и цикл циркуляции теплоносителя повторяется. При таком движении 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 теплоносителя в каналах замкнутого трубопроводного контура 10.The impeller 7 of the pump exerts a force on the coolant and creates a flow of coolant. During rotation, the disk 12 also exerts a force effect on the 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 coolant. The flow is directed from the center of the impeller 7 to the outlet channel 9 for the coolant, due to the action of centrifugal forces during rotation of the coolant inside the pump housing 6. From the output channel for the coolant 9, the flow is diverted to an external closed pipeline circuit 10, into which the consumer of thermal energy 11 is included. Next, the flow returns to the input channel 8 for the coolant, and the circulation cycle of the coolant is repeated. With this movement of the 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 coolant in the channels of the closed pipeline circuit 10.

За счет вихревых токов обеспечивается нагрев диска 12 из токопроводящего материала. Тепловая энергия передается от диска 12 к теплоносителю, циркулирующему по замкнутому трубопроводному контуру 10. Таким образом, часть механической энергии преобразуется в тепловую энергию за счет вихревых токов в диске 12. Эта часть рабочего процесса не зависит от режима циркуляции 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.Due to the eddy currents, the disk 12 is made of conductive material. Thermal energy is transferred from the disk 12 to the coolant circulating in a closed pipeline 10. Thus, part of the mechanical energy is converted into thermal energy due to eddy currents in the drive 12. This part of the working process is independent of the mode of circulation of the coolant, respectively, this part of the working the process can be independently adjusted, for example, by changing the number of permanent magnets 13 or by changing the gap between the magnet 13 and the disk 12.

Число магнитопроводов 14 выбирают в зависимости от частоты крутящего момента на валу 15. Для примера, магнитопровод может быть выполнен кольцевой формы в соответствии с известными техническими условиями - ТУ 14-123-195-2009 «Магнитопроводы. Общие технические условия», где D1 - внутренний диаметр кольцевого магниторовода, a D2-внешний диаметр кольцевого магниторовода. При смещении магнитопровода 14 изменяется значение линейного размера X между магнитопроводом 14 и постоянным магнитом 13. Изменение положения магнитопровода 14 производится при отклонении текущего значения частоты вращения вала 15 от заданного значения.The number of magnetic cores 14 is selected depending on the frequency of the torque on the shaft 15. For example, the magnetic circuit can be made ring-shaped in accordance with the known technical conditions - TU 14-123-195-2009 "Magnetic cores. General specifications ", where D1 is the inner diameter of the ring magnet, and D2 is the outer diameter of the ring magnet. When the magnetic circuit 14 is displaced, the value of the linear dimension X between the magnetic circuit 14 and the permanent magnet 13 changes. The change in the position of the magnetic circuit 14 is made when the current value of the rotational speed of the shaft 15 deviates from the set value.

На фигуре механизм для перемещения магнитопровода 14 (с целью упрощения схемы) не показан. В качестве механизма для перемещения магнитопровода, к примеру, может быть использована компьютеризированная электромеханическая система с обеспечением контроля частоты вращения вала 15.In the figure, a mechanism for moving the magnetic circuit 14 (in order to simplify the circuit) is not shown. As a mechanism for moving the magnetic circuit, for example, a computerized electromechanical system can be used to control the speed of the shaft 15.

При больших значениях линейного размера - X между магнитопроводом 14 и постоянными магнитами 13 образуется воздушный зазор, ослабляющий магнитный поток и ослабляющий вихревые токи, что приводит к уменьшению крутящего момента на валу 15. Смещение магнитопровода 14 в направлении к постоянным магнитам 13 при соответствующем уменьшении значения линейного размера X способствует усилению магнитного потока через магнитопровод 14 с соответствующим усилением вихревых токов и крутящего момента на валу 15, тем самым реализуется бесступенчатое регулирование всей системы в целом. При этом турбина может работать в оптимальном режиме, хотя плотность теплоносителя, проходящего через насос, может меняться от плотности жидкой фазы до плотности газообразной фазы при использовании газожидкостной смеси в качестве теплоносителя. При этом постоянство крутящего момента на валу 15 и постоянство частоты вращения вала 15 обеспечиваются за счет бесступенчатого регулирования, а именно за счет корректировки силы магнитного потока, проходящего через постоянные магниты 13, через диск 12 и через магнитопровод 14.For large values of linear size - X between the magnetic circuit 14 and the permanent magnets 13 an air gap is formed, weakening the magnetic flux and weakening eddy currents, which leads to a decrease in torque on the shaft 15. The displacement of the magnetic circuit 14 in the direction of the permanent magnets 13 with a corresponding decrease in the linear size X contributes to the amplification of the magnetic flux through the magnetic circuit 14 with a corresponding increase in eddy currents and torque on the shaft 15, thereby realizing stepless regulation the whole system. In this case, the turbine can operate in the optimal mode, although the density of the coolant passing through the pump can vary from the density of the liquid phase to the density of the gaseous phase when using a gas-liquid mixture as the coolant. In this case, the constancy of the torque on the shaft 15 and the constancy of the frequency of rotation of the shaft 15 are ensured by stepless regulation, namely, by adjusting the strength of the magnetic flux passing through the permanent magnets 13, through the disk 12 and through the magnetic circuit 14.

Настоящее техническое решение позволяет повысить эффективность устройства для нагрева теплоносителя при использовании теплоносителя, плотность которого может изменяться в процессе работы, например при использовании газожидкостных смесей в качестве теплоносителя. В заявляемом техническом решении все совокупности признаков являются существенными, поскольку находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.This technical solution allows to increase the efficiency of the device for heating the coolant when using a coolant, the density of which can change during operation, for example, when using gas-liquid mixtures as a coolant. In the claimed technical solution, all sets of features are significant, because they are in a causal relationship with the achieved technical result.

Claims

A device for heating a coolant containing a gas turbine, consisting of a housing with gas inlet and outlet channels, in which a turbine rotor is located, located on the same shaft as the pump, in the cavity of the housing of which there is a pump impeller and a disk of conductive material and which has an input and output channels for the coolant, interconnected with the formation of an external closed pipeline circuit filled with coolant, and a magnetic system consisting of at least two constant ites with alternating polarity in the circumferential direction, providing eddy currents in the disk of conductive material, characterized in that it is provided with at least one magnetic circuit mounted coaxially above the magnetic system with the possibility of reciprocating movement relative to the permanent magnets to ensure regulation of the magnitude magnetic flux.