RU2631849C1 - Power plant and steam generator for this power plant (two versions) - Google Patents
Power plant and steam generator for this power plant (two versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2631849C1 RU2631849C1 RU2016128753A RU2016128753A RU2631849C1 RU 2631849 C1 RU2631849 C1 RU 2631849C1 RU 2016128753 A RU2016128753 A RU 2016128753A RU 2016128753 A RU2016128753 A RU 2016128753A RU 2631849 C1 RU2631849 C1 RU 2631849C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam
- power plant
- gas
- expansion machine
- fuel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
Abstract
Description
Изобретение объединяет два самостоятельных технических решения, которые связаны между собой и относятся к областям теплоэнергетики и машиностроения, в частности к энергетическим установкам, работающим на смеси пара и продуктов сгорания углеводородов.The invention combines two independent technical solutions that are interconnected and relate to the fields of heat power engineering and mechanical engineering, in particular to power plants operating on a mixture of steam and combustion products of hydrocarbons.
Первое техническое решение - силовая установка с парогазогенератором, предназначено для преобразования тепловой энергии от сжигания углеводородного или иного топлива во вращательную энергию выходного вала и далее - передачи ее на привод исполнительного механизма.The first technical solution is a power plant with a steam and gas generator, designed to convert thermal energy from burning hydrocarbon or other fuel into rotational energy of the output shaft and then transfer it to the actuator drive.
Второе технические решения - парогазогенератор, который связанн с первым, и может быть использован в данной, или других силовых установках, а также использован для создания самостоятельного устройства для получения парогазовой смеси высокого давления и температуры в различных требуемых диапазонах.The second technical solution is a steam and gas generator, which is associated with the first, and can be used in this or other power plants, and also used to create an independent device for producing a gas-vapor mixture of high pressure and temperature in various required ranges.
В известных в настоящее время установках тепло сжигаемых углеводородов тратится:In currently known installations, heat of combusted hydrocarbons is consumed:
1) на полезную работу установки;1) the useful work of the installation;
2) на нагрев механических частей установки;2) to heat the mechanical parts of the installation;
3) на нагрев газов и продуктов горения, выбрасываемых во внешнюю среду из данной установки.3) for heating gases and combustion products emitted into the environment from this installation.
Известны силовые установки, выполненные на основе газотурбинных двигателей, или роторных двигателей, или двигателей внутреннего сгорания. При этом эти силовые установки имеют определенное назначение, им не присуща универсальность.Known power plants made on the basis of gas turbine engines, or rotary engines, or internal combustion engines. Moreover, these power plants have a specific purpose, they are not inherent in universality.
Например, известно техническое решение энергетической установки - патент (19) RU, (11) 2211342, (13) С2, (51) МПК F01K 21/04 (2000.01), F02C 6/00 (2000.01), F25B 30/00 (2000.01), (71) Заявитель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют", (72) Автор(ы): Беляев В.Е., Косой А.С., Синкевич М.В., (73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют", (54) ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА.For example, the technical solution of a power plant is known - patent (19) RU, (11) 2211342, (13) C2, (51) IPC F01K 21/04 (2000.01),
При этом данное техническое решение имеет определенное применение - оно предназначено для использования в коммунальном хозяйстве.Moreover, this technical solution has a certain application - it is intended for use in the public utilities sector.
Техническое решение направлено на уменьшение потерь тепла в окружающую среду и упрощение схемы установки.The technical solution is aimed at reducing heat loss to the environment and simplifying the installation scheme.
Данная энергетическая установка содержит газотурбинный двигатель с турбиной, работающей на парогазовой смеси; первый конденсатор, имеющий два входа и два выхода. При этом первый выход первого конденсатора и вход газотурбинного двигателя сообщены с атмосферой, выход турбины, подключенной к силовой нагрузке, подключен к первому входу котла, первый выход которого сообщен с первым входом первого конденсатора. В состав этой установки также входит контактно-вакуумный испаритель, сообщенный по входу со вторым выходом первого конденсатора; насос-нагнетатель, подключенный входом к первому выходу контактно-вакуумного испарителя, а выходом - ко второму входу первого конденсатора; вакуумный компрессор; второй конденсатор и питательный насос. При этом вакуумный компрессор подсоединен входом и выходом, соответственно, ко второму выходу контактно-вакуумного испарителя и первому входу второго конденсатора. Питательный насос установлен в линии, связывающей первый выход второго конденсатора через котел с газотурбинным двигателем, а второй вход и второй выход второго конденсатора являются входом и выходом установки для подключения потребителя.This power plant contains a gas turbine engine with a turbine running on a gas-vapor mixture; the first capacitor having two inputs and two outputs. In this case, the first output of the first condenser and the gas turbine engine input are connected with the atmosphere, the turbine output connected to the power load is connected to the first input of the boiler, the first output of which is communicated with the first input of the first condenser. The structure of this installation also includes a contact-vacuum evaporator communicated at the input with the second output of the first condenser; a supercharger pump connected by an input to the first output of the contact-vacuum evaporator, and by an output to the second input of the first condenser; vacuum compressor; second capacitor and feed pump. In this case, the vacuum compressor is connected to the input and output, respectively, to the second output of the contact-vacuum evaporator and the first input of the second condenser. The feed pump is installed in the line connecting the first output of the second capacitor through the boiler with a gas turbine engine, and the second input and second output of the second capacitor are the input and output of the installation for connecting the consumer.
Недостатками технического решения данной энергетической установки являются недостатки газотурбинного двигателя, такие как:The disadvantages of the technical solution of this power plant are the disadvantages of a gas turbine engine, such as:
- невозможность использования его для разных назначений; (узконаправленное применение данной установки);- the impossibility of using it for various purposes; (narrow application of this installation);
- неполное сгорание топлива, что существенно влияет на КПД установки;- incomplete combustion of fuel, which significantly affects the efficiency of the installation;
- ее большой вес и габариты;- its large weight and dimensions;
- медленный запуск и выход на режим;- slow start and exit to mode;
- большая стоимость газотурбинных двигателей.- the high cost of gas turbine engines.
Низкая эффективность вышеприведенных энергетических установок заключается в неполном использовании энергии сгоревшего топлива.The low efficiency of the above power plants is the incomplete use of energy from burnt fuel.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является решение является RU (11), 2126490 (13), С1, (51) МПК6, F02C 3/30, (72) Автор(ы): Дж. ЛайеллГинтер (US), (73) Патентообладатель(и): Дж. ЛайеллГинтер (US), (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ И НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА, где этот двигатель внутреннего сгорания работает под высоким давлением.Closest to the claimed technical solution is the solution is RU (11), 2126490 (13), C1, (51) IPC 6 ,
Двигатель внутреннего сгорания, работающий под высоким давлением, в котором используется рабочее тело, состоящее из смеси сжатых неиспользованных при горении компонентов воздуха, продуктов сгорания топлива и пара и способ работы двигателя и непрерывной подачи рабочего тела используются в паровоздушных двигателях. Согласно изобретениям рабочее тело выдается при постоянном давлении и температуре. Воздух для горения подается адиабатически одной или несколькими ступенями сжатия. Топливо впрыскивают под нужным давлением. Сжигается, по меньшей мере, около 40% всего сжатого воздуха. Впрыскивается инертная жидкость под высоким давлением для образования пара и получения, таким образом, инертного пара-разбавителя с высокой удельной теплоемкостью, требующегося для внутреннего охлаждения турбины с внутренним сгоранием или системы другого типа. Активное применение впрыскивания жидкости препятствует образованию загрязнений, повышает КПД и мощность двигателя и уменьшает удельный расход топлива.A high pressure internal combustion engine in which a working fluid is used, consisting of a mixture of compressed air components unused during combustion, combustion products of fuel and steam, and a method for operating the engine and continuous supply of the working fluid are used in steam engines. According to the inventions, the working fluid is delivered at a constant pressure and temperature. Combustion air is adiabatically supplied by one or more compression stages. Fuel is injected at the right pressure. At least about 40% of all compressed air is burned. An inert liquid is injected under high pressure to form a vapor and thereby produce an inert vapor diluent with high specific heat required for internal cooling of an internal combustion turbine or other type of system. The active use of liquid injection prevents the formation of contaminants, increases efficiency and engine power and reduces specific fuel consumption.
Представленное выше техническое решение взято за близкий аналог еще и потому, что как и заявляемая установка, не имеет, в отличие от силовых установок, работающих по принципу поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС), возвратно-поступательных перемещений поршня, тем самым в установке отсутствуют нагрузки на механизмы, вызванные разгоном и торможением возвратно-поступательно движущихся частей ДВС и, соответственно, отсутствует необходимость уравновешивания частей и деталей применяемых в заявляемой силовой установке. Но при применении турбины в представленном аналоге, проявят себя все ее недостатки (недостатки турбины, указанные выше по тексту).The technical solution presented above is taken for a close analogue also because, like the claimed installation, it does not, in contrast to power plants operating on the principle of reciprocating internal combustion engines (hereinafter referred to as ICE), reciprocating piston movements, thereby the installation there are no loads on the mechanisms caused by acceleration and braking of the reciprocating moving parts of the internal combustion engine and, accordingly, there is no need to balance the parts and details used in the inventive power plant ke. But when using a turbine in the presented analogue, all its shortcomings will manifest themselves (turbine shortcomings indicated above).
Также недостатком силовой системы (данного двигателя внутреннего сгорания) будут -неполное сгорание воздуха, недостаточное охлаждение парогазовой смеси, поступающей в турбину, как следствие, недостаточно высокий КПД, недостаточная экологичность.Also, a drawback of the power system (this internal combustion engine) will be incomplete combustion of air, insufficient cooling of the gas mixture entering the turbine, as a result, insufficiently high efficiency, insufficient environmental friendliness.
Техническая задача: создать силовую установку, имеющую КПД выше, чем у существующих ныне, в которой полностью утилизируются продукты сгорания.Technical task: to create a power plant that has an efficiency higher than that of the existing ones, in which the combustion products are completely utilized.
Технический результат от использования заявляемой силовой установки заключается в том, что существенно повышен ее термодинамический КПД за счет понижения потерь тепловой энергии сжигаемого топлива, отводимой вовне через систему охлаждения и отсутствия выхлопных газов.The technical result from the use of the inventive power plant is that its thermodynamic efficiency is significantly increased due to a decrease in the heat loss of the combusted fuel that is diverted outside through the cooling system and the absence of exhaust gases.
Эффект достигнут за счет конструкции силовой установки, куда входят: воздушный компрессор, который может иметь одну или несколько секций; циркуляционный ресивер сжатого воздуха, который может иметь систему охлаждения; интеркулер; один или несколько соединенных в параллель парогазогенераторов, которые могут иметь различную конструкцию; ресивер парогазовой смеси; расширительная машина, которая может иметь две или более секций, энергия с которой передается на вал отбора мощности.The effect is achieved due to the design of the power plant, which includes: an air compressor, which can have one or more sections; a circulation receiver of compressed air, which may have a cooling system; intercooler; one or more parallel gas and steam generators, which may have a different design; gas-vapor mixture receiver; an expansion machine, which can have two or more sections, the energy from which is transmitted to the power take-off shaft.
При этом удалось:At the same time, it was possible:
- понизить температуру сжатого воздуха, подаваемого в парогазогенератор, за счет двухступенчатого охлаждения в ресивере и интекулере и, соответственно, повысить удельный вес кислорода в подаваемом объеме воздуха;- lower the temperature of the compressed air supplied to the steam and gas generator, due to two-stage cooling in the receiver and inteculer and, accordingly, increase the specific gravity of oxygen in the supplied volume of air;
- распределить этот сжатый воздух через циркуляционный ресивер сжатого воздуха в один или несколько парогазогенераторов;- distribute this compressed air through a circulation receiver of compressed air into one or more steam and gas generators;
- максимально полно сжечь топливо и получить на выходе ресивера парогазовой смеси рабочее тело из парогазовой смеси с температурой выше точки росы (от 150°С) с массой и соответственно объемом, превышающим массу и объем газов от продуктов сгорания топлива за счет управления контроллером процессом подачи в парагазогенератор необходимого количества компонентов, участвующих в горении, и образованием парогазовой смеси. При этом более низкая температура рабочего тела позволяет использовать для ресивера и расширительной машины менее термостойкие материалы;- burn fuel as completely as possible and obtain at the outlet of the gas-vapor mixture receiver a working fluid from the gas-vapor mixture with a temperature above the dew point (from 150 ° C) with a mass and, accordingly, a volume exceeding the mass and volume of gases from the fuel combustion products by controlling the supply process controller a para-gas generator of the required amount of components involved in combustion and the formation of a gas-vapor mixture. At the same time, a lower temperature of the working fluid allows using less heat-resistant materials for the receiver and the expansion machine;
- направлять в ресивер парогазовой смеси парогазовую смесь от одного или нескольких парогазогенераторов (в зависимости от требуемой мощности силовой установки);- send a vapor-gas mixture from one or more steam-gas generators to the vapor-gas mixture receiver (depending on the required power of the power plant);
- преобразовать тепловую энергию парогазовой смеси во вращательную энергию выходного вала, охладив при этом парогазовую смесь до температуры не ниже точки росы;- convert the thermal energy of the vapor-gas mixture into the rotational energy of the output shaft, while cooling the vapor-gas mixture to a temperature not lower than the dew point;
- сконденсировать всю отработанную парогазовую смесь и собрать ее в отдельную емкость (отстойник) для последующей утилизации или для отделения и фильтрации воды и повторного ее использования. Таким образом, заявляемая силовая установка будет работать без загрязнения окружающей среды.- Condensate the entire spent steam-gas mixture and collect it in a separate tank (sump) for subsequent disposal or for separation and filtration of water and its reuse. Thus, the claimed power plant will work without environmental pollution.
Воздушный компрессор работает за счет внутренней энергии силовой установки (получает ее с вала отбора мощности). В качестве воздушного компрессора применяются винтовые или иные компрессоры. Использование винтового компрессора позволяет экономить энергию, потребляемую им на вращение компрессора. Это связано с тем, что его механический КПД составляет до 95% (для сравнения, механический КПД поршневого компрессора 60-80%). Винтовые компрессоры имеют более совершенную систему регулирования производительности вырабатываемого воздуха. То есть, они имеют возможность вырабатывать именно столько воздуха, сколько в данный момент необходимо его для сжигания нужного количества топлива для генерации необходимого объема парогазовой смеси. Винтовой компрессор производит более чистый воздух. Содержание масла, за счет использования более эффективной системы маслоотделения, на выходе из винтового компрессора ниже, чем у других видов маслозаполненных компрессоров.The air compressor works due to the internal energy of the power plant (receives it from the power take-off shaft). Screw or other compressors are used as an air compressor. Using a screw compressor allows you to save the energy consumed by it on the rotation of the compressor. This is due to the fact that its mechanical efficiency is up to 95% (for comparison, the mechanical efficiency of a reciprocating compressor is 60-80%). Screw compressors have a more advanced system for regulating the productivity of the produced air. That is, they have the ability to produce just as much air as it currently needs to burn the right amount of fuel to generate the required volume of gas-vapor mixture. A screw compressor produces cleaner air. The oil content, due to the use of a more efficient oil separation system, is lower at the outlet of the screw compressor than other types of oil-filled compressors.
В заявляемой силовой установке имеются два циркуляционных ресивера тороидальной формы, в которых субстанция, находящаяся в нем, перемещается по кругу за счет подачи новых порций через коллекторы, установленные под углом находящейся в них воздуха или парогазовой смеси. В циркуляционном ресивере сжатого воздуха происходит охлаждение этого воздуха за счет охлаждающих радиаторов, а в циркуляционном ресивере парогазовой смеси нагрев - для поддержания необходимой температуры и давления в этой смеси за счет подачи вовнутрь этого ресивера дополнительного тепла.The claimed power plant has two toroidal circulation receivers in which the substance in it moves in a circle due to the supply of new portions through collectors installed at an angle of the air or gas mixture in them. In the circulation receiver of compressed air, this air is cooled by cooling radiators, and in the circulation receiver of the gas-vapor mixture, it is heated to maintain the necessary temperature and pressure in this mixture by supplying additional heat to the inside of this receiver.
В результате удалось создать установку с высоким КПД, более экологически чистую, которая не загрязняет атмосферу выхлопами продуктов сгорания, т.к. эти продукты сгорания конденсируются, накапливаются в отстойнике и могут утилизироваться, или сконденсированная вода может отделяться и фильтроваться для повторного использования в силовой установке.As a result, it was possible to create a plant with high efficiency, more environmentally friendly, which does not pollute the atmosphere with exhaust fumes, because these combustion products condense, accumulate in the sump and can be disposed of, or condensed water can be separated and filtered for reuse in the power plant.
Описание силовой установкиDescription of the power plant
Силовая установка состоит из последовательно соединенных между собой коллекторами, или перепускными отверстиями:The power plant consists of collectors connected in series, or bypass openings:
- воздушного компрессора, который может иметь одну или несколько секций;- an air compressor, which may have one or more sections;
- циркуляционного ресивера сжатого воздуха, который имеет тороидальную форму с системой охлаждения, например, радиаторными ребрами, трубками и т.д., и соединен с секциями воздушного компрессора и парогазогенераторами посредством коллекторов, расположенных под углом к касательной к поверхности тора. Количество коллекторов сжатого воздуха равно количеству секций воздушного компрессора плюс количество отводов к парогазогенераторам. В случае использования одного воздушного компрессора количество коллекторов должно быть не меньше двух;- a circulation receiver of compressed air, which has a toroidal shape with a cooling system, for example, radiator fins, tubes, etc., and is connected to sections of the air compressor and steam and gas generators by means of manifolds located at an angle to the tangent to the surface of the torus. The number of compressed air manifolds is equal to the number of sections of the air compressor plus the number of taps to the steam and gas generators. In the case of using one air compressor, the number of collectors must be at least two;
- интеркулеров;- intercoolers;
- одного или нескольких соединенных в параллель парогазогенераторов различных конструкций (далее по тексту ПРГГ), имеющих на входе коллекторы сжатого воздуха, трубопровод для подачи топлива и трубопровод для подачи воды и коллекторы парогазовой смеси - на выходе. Функция, выполняемая парогазогенератором, - получение парогазовой смеси из пара и продуктов сгорания углеводородов. Клапаны в ПРГГ могут иметь как механические, так и электромагнитные приводы.- one or several parallel-coupled gas generators of various designs (hereinafter referred to as PRGG), having compressed air collectors at the inlet, a fuel supply pipe and a water supply pipe and combined-gas mixture collectors at the outlet. The function performed by the steam and gas generator is to produce a gas mixture from steam and hydrocarbon combustion products. The valves in the PRGG can have both mechanical and electromagnetic actuators.
Все электромагнитные управляемые клапаны парогазогенераторов, а также датчики температуры и датчики давления соединены с контроллером.All electromagnetic controlled valves of steam and gas generators, as well as temperature sensors and pressure sensors are connected to the controller.
Подключаемые в параллель секции компрессора, а также ПРГГ, имеют в коллекторах или перепускных отверстиях электромагнитные клапаны, управляемые контроллером;Compressor sections connected in parallel, as well as PRGG, have solenoid valves controlled by a controller in manifolds or bypass holes;
- циркуляционного ресивера парогазовой смеси тороидальной формы, который термоизолирован изнутри и внутри имеет датчики температуры и давления, при этом может иметь систему подогрева парогазовой смеси, и соединен с ПРГГ и расширительной машиной посредством коллекторов, расположенных под углом к касательной к поверхности тора. Количество коллекторов парогазовой смеси соответствует количеству ПРГГ, плюс количество отводов к расширительной машине. Если ПРГГ один, то от него к ресиверу подходит не менее двух коллекторов (для обеспечения более интенсивной циркуляции парогазовой смеси в ресивере);- a circulation receiver of a gas-vapor mixture of a toroidal shape, which is thermally insulated from the inside and inside has temperature and pressure sensors, while it can have a steam-gas mixture heating system and is connected to the PRGG and an expansion machine by means of collectors located at an angle to the tangent to the surface of the torus. The number of steam-gas mixture collectors corresponds to the number of PRGG, plus the number of taps to the expansion machine. If there is one PRGG, then at least two collectors are suitable from it to the receiver (to provide more intensive circulation of the vapor-gas mixture in the receiver);
- многосекционной расширительной машины, где последняя из ее секций может выполнять функцию вакуумного насоса, при этом в качестве многосекционной расширительной машины может быть использован как пневмомотор, так и пластинчатая роторная машина, или турбина или такие как, винтовая или спиральная расширительные машины или другие конструкции.- a multi-section expansion machine, where the last of its sections can act as a vacuum pump, while a pneumatic motor, a rotary vane rotor machine, or a turbine, or such as a screw or spiral expansion machine or other structures can be used as a multi-section expansion machine.
Также в силовой установке имеются вал отбора мощности, управляющий контроллер, соединенный со всеми датчиками температуры и давления и электромагнитными клапанами, кинематическая связь между валом отбора мощности и расширительной машиной, а также кинематическая связь между валом отбора мощности и компрессором (или его секциями), механизмы включения-выключения и согласования оборотов секций.The power plant also has a power take-off shaft, a control controller connected to all temperature and pressure sensors and solenoid valves, a kinematic connection between the power take-off shaft and the expansion machine, as well as a kinematic connection between the power take-off shaft and the compressor (or its sections), mechanisms on-off and coordination of revolutions of sections.
Коллекторы могут иметь термоизоляцию, а при необходимости, систему охлаждения.Collectors can be thermally insulated, and if necessary, a cooling system.
На фиг. 1 представлена функциональная схема силовой установки, которая состоит из:In FIG. 1 presents a functional diagram of a power plant, which consists of:
1. Компрессора воздушного многосекционного.1. Air compressor multisection.
2. Коллектора перепускного сжатого воздуха.2. Collector by-pass compressed air.
3. Циркуляционного ресивера атмосферного воздуха, с устройством охлаждения, находящегося в нем сжатого воздуха.3. A circulation receiver of atmospheric air, with a cooling device located in it compressed air.
4. Коллектора сжатого воздуха.4. A collector of compressed air.
5. Парогазогенератора (далее по тексту ПРГГ).5. Steam and gas generator (hereinafter referred to as PRGG).
6. Коллектора перепускного парогазовой смеси теплоизолированного изнутри.6. The manifold bypass steam-gas mixture insulated from the inside.
7. Циркуляционного ресивера парогазовой смеси теплоизолированного изнутри.7. The circulation receiver of the vapor-gas mixture insulated from the inside.
8. Коллектора перепускного парогазовой смеси теплоизолированного изнутри.8. The manifold bypass steam-gas mixture insulated from the inside.
9. Многосекционной расширительной машины.9. Multisection expansion machine.
10. Вакуумной конденсационной секции расширительной машины.10. The vacuum condensation section of the expansion machine.
11. Вала отбора мощности.11. Power take-off shaft.
12. Кинематической связи расширительной машины с валом отбора мощности (связь ременная, цепная, вариаторная, либо другая).12. The kinematic connection of the expansion machine with the power take-off shaft (belt, chain, variator, or other connection).
13. Устройства включения-выключения и согласования оборотов вала расширительной машины с валом отбора мощности (например, устройство электромагнитного включения-выключения, устройств с масляной или магнитной муфтой, или какой-либо другой).13. Devices for switching on and off and matching the revolutions of the shaft of the expansion machine with the power take-off shaft (for example, an electromagnetic on-off device, devices with an oil or magnetic clutch, or some other device).
14. Кинематической связи многосекционного компрессора с валом отбора мощности (ременной, цепной, вариаторной, либо какой-либо другой).14. The kinematic connection of a multi-section compressor with a power take-off shaft (belt, chain, variator, or some other).
15. Устройства включения-выключения и согласования оборотов вала многосекционного компрессора с валом отбора мощности (например, устройство электромагнитного включения-выключения, устройств с масляной или магнитной муфтой, или какой-либо другой).15. Devices for turning on and off and matching the revolutions of the shaft of a multi-section compressor with a power take-off shaft (for example, an electromagnetic on-off device, devices with an oil or magnetic clutch, or some other device).
32. Интеркулера.32. Intercooler.
33. Отстойника для сконденсированных отходов.33. Sump for condensed waste.
34. Контроллера управления.34. The controller control.
35. Секции компрессора.35. Compressor sections.
36. Секции расширительной машины.36. Section of the expansion machine.
На Фиг. 2 изображена схема компрессора 1 с его секциями 35 ресивера сжатого воздуха 3, подвод к ресиверу 3 коллекторов 2 и отвод от ресивера 3 коллекторов 4 и схема питания сжатым воздухом парогазогенераторов 5; показаны датчики температуры 30 и давления 31; так же показан клапан электромагнитный 39, перекрывающий подключаемые в параллель секции компрессора 35; более подробно показаны кинематические связи 14 компрессора воздушного многосекционного 1, с валом отбора мощности 11 (связь ременная, цепная, вариаторная, либо другая), так же устройства 15 включения-выключения и согласования оборотов вала компрессора воздушного многосекционного 1 с валом отбора мощности 11 (например, устройство электромагнитного включения-выключения, устройств с масляной или магнитной муфтой, или какой-либо другой); также показан разрез А-А ресивера сжатого воздуха, подробно отображенный на Фиг. 5 и Фиг. 6, где показываются устройства охлаждения сжатого воздуха или ребра охлаждения 41 или трубки с охлаждающей жидкостью 42.In FIG. 2 shows a diagram of a compressor 1 with its
На Фиг. 3 изображен парогазогенератор 5, который заявляется самостоятельным пунктом, его устройство и работа описывается в отдельном самостоятельном разделе.In FIG. 3 shows a steam and
На Фиг. 4 изображена схема ресивера парогазовой смеси теплоизолированного 7, подвод к нему перепускных теплоизолированных коллекторов парогазовой смеси 6 и отвод от него коллектора перепускного теплоизолированного парогазовой смеси 8, также показаны датчики температуры 58 и давления 59; так же показан клапан электромагнитный 39, перекрывающий подключаемые в параллель парогазогенераторы 5; показана расширительная машина 9 с ее расширительными секциями 36, где последняя секция 10 работает как вакуумная конденсационная машина и сконденсированную отработанную парогазовую смесь помещает в отстойник для конденсированных отходов 33; более подробно показаны кинематические связи 12 расширительной машины 9 с валом отбора мощности 11 (связь ременная, цепная, вариаторная либо другая), так же устройства 13 включения-выключения и согласования оборотов вала расширительной машины 9 с валом отбора мощности 11 (например, устройство электромагнитного включения-выключения, устройств с масляной или магнитной муфтой, или какой-либо другой).In FIG. 4 shows a diagram of a receiver for a vapor-gas mixture insulated 7, a supply to it of bypass insulated manifolds of a vapor-
На Фиг. 5 изображен разрез ресивера сжатого воздуха с его ребрами охлаждения 41.In FIG. 5 shows a section through a receiver of compressed air with its
На Фиг. 6 изображен разрез ресивера сжатого воздуха с его радиаторными трубками охлаждения 42, где также показано стрелками движение охлаждающей жидкости.In FIG. 6 shows a section through a receiver of compressed air with its
В таблице показаны характеристики современных дизельных двигателей разной мощности и объема и их удельный расход топлива.The table shows the characteristics of modern diesel engines of different power and volume and their specific fuel consumption.
СИЛОВАЯ УСТАНОВКА работает следующим образом:POWER INSTALLATION works as follows:
Компрессор воздушный многосекционный 1 нагнетает атмосферный воздух через коллектор атмосферного воздуха 2 в циркуляционный ресивер атмосферного воздуха 3.A multi-section air compressor 1 pumps atmospheric air through an
Воздух, циркулирующий в циркуляционном ресивере 3, проходит первую ступень охлаждения, охлаждаясь за счет устройства охлаждения, установленного в ресивере 3 (например, ребра охлаждения 41 (Фиг. 5), или радиаторные трубки с охлаждающей жидкостью 42 (Фиг. 6).The air circulating in the
Из циркуляционного ресивера 3 сжатый атмосферный воздух, под давлением через коллектор сжатого воздуха 4 попадает в интеркулер 32, где проходит вторую ступень охлаждения. Далее, из интеркулера 32 сжатый атмосферный воздух попадает в парогазогенератор 5, где участвует в сгорании топлива.From the
В парогазогенератор 5 (Фиг. 3) через устройства регулировки давления, объема и количества (для воздуха редуктор - 60, для топлива и воды не показаны), управляемые контроллером 34 на основании показаний датчиков температуры 54, 56 и датчиков давления 55, 57, подводятся под давлением топливо, воздух и вода. В парогазогенераторе происходит сгорание топлива и смешивание продуктов сгорания топлива с впрыскиваемой водой или перегретым паром. От соотношения количества этих компонентов и времени подачи зависит то, какие параметры будет иметь рабочее тело - парогазовая смесь (далее по тексту ПРГС).In the steam and gas generator 5 (Fig. 3) through the pressure, volume and quantity control devices (for air the reducer is 60, for fuel and water are not shown), controlled by the
Далее через теплоизолированный коллектор парогазовой смеси 6 ПРГС поступает в теплоизолированный циркуляционный ресивер парогазовой смеси 7. Из теплоизолированного циркуляционного ресивера парогазовой смеси 7 через теплоизолированный коллектор парогазовой смеси 8 ПРГС под давлением подводится к расширительной машине 9, где она расширяется и с температурой выше точки росы совершает работу в одной или более секциях 36 этой расширительной машины. Секции 36 расширительной машины 9 выполняют ступенчатое расширение поступающей ПРГС. Заданные параметры ПРГС для работы в расширительной машине, такие как температура и давление, поддерживаются в циркуляционном ресивере 7 парогазовой смеси за счет наличия встроенной в него форсунки впрыска жидкости 37 и работы подогревателя 40 (см. Фиг. 4)Then, through the heat-insulated collector of the vapor-
Мощность силовой установки может широко варьироваться в зависимости от количества производимой парогазовой смеси. Это количество может увеличиваться за счет подключения в работу через вал отбора мощности 11 как дополнительных секций 35 компрессора, дополнительных парогазогенераторов 5, так и дополнительных секций расширительной машины 9 (за счет ее дополнительных расширительных секций 36). Секции компрессора подключаются к валу отбора мощности 11 с помощью устройства включения-выключения и согласования оборотов 15 (например, электромагнитное устройство включения-выключения, устройство включения-выключения с масляной, или магнитной муфтой, или другой муфтой), через кинематическую связь 14 (ременную, цепную, вариаторную либо другую). Дополнительные секции 36 расширительной машины 9 подключаются к валу отбора мощности 11 через кинематическую связь 12 (ременную, цепную, вариаторную либо другую) с помощью устройства 13 (устройства включения-выключения и согласования оборотов вала расширительной машины с валом отбора мощности, например, электромагнитное включение-выключение, включение-выключение с масляной или магнитной муфтой, или другой муфтой).The power of the power plant can vary widely depending on the amount of gas-vapor mixture produced. This amount can increase due to the connection through the power take-off
Последняя секция 10 расширительной машины 9 может работать как конденсационный вакуумный насос, где отработанная, до конца расширившаяся, парогазовая смесь конденсируется и поступает в отстойник для конденсированных отходов 33.The
Второе самостоятельное заявляемое решение - парогазогенератор является одним из возможных вариантов исполнения блока силовой установки, также он может быть использован как самостоятельное устройство для получения парогазовой смеси.The second independent solution claimed - a gas and steam generator is one of the possible options for the power unit, it can also be used as a standalone device to obtain a gas mixture.
Известно техническое решение парогазогенератора, которое относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в автомобильных, тракторных, судовых и стационарных ДВС. Изобретение обеспечивает повышение скорости парообразования при впрыске воды в выпускной коллектор и увеличение энтальпии продуктов сгорания.A technical solution is known for a steam and gas generator, which relates to internal combustion engines (ICE) and can be used in automobile, tractor, ship and stationary ICE. The invention provides an increase in the rate of vaporization during the injection of water into the exhaust manifold and an increase in the enthalpy of combustion products.
(19) RU, (11) 2338914, (13) С2, (21), (22) Заявка: 2005137879/06, 05.12.2005, (51) МПК F02G 5/02 (2006.01), F02B 47/02 (2006.01) F02B 37/00 (2006.01), (72) Автор(ы):Егоров Алексей Васильевич (RU), Егоров Василий Николаевич (RU), Кудрявцев Игорь Аркадьевич (RU), (73) Патентообладатель(и): Егоров Алексей Васильевич (RU), Егоров Василий Николаевич (RU), Кудрявцев Игорь Аркадьевич (RU), (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.(19) RU, (11) 2338914, (13) C2, (21), (22) Application: 2005137879/06, 12/05/2005, (51)
Данный ДВС также можно рассматривать как парогазогенератор, используемый в транспортных средствах.This ICE can also be considered as a steam and gas generator used in vehicles.
Данное изобретение указано в числе аналогов, поскольку в этом запатентованном устройстве имеются общие существенные признаки с признаками, имеющимися в заявляемом устройстве: это наличие сгорающего топлива и продуктов его сгорания; наличие трубопровода подвода воды, который снабжен регенератором теплоты продуктов сгорания топлива; перегретый пар или вода, которые впрыскивается в продукты сгорания топлива.This invention is indicated among analogues, since this patented device has common essential features with the features found in the claimed device: this is the presence of combustible fuel and its combustion products; the presence of a water supply pipeline, which is equipped with a heat regenerator of fuel combustion products; superheated steam or water that is injected into the fuel combustion products.
Недостатком данного ДВС - низкий КПД, получающийся вследствие того, что в нем возникают большие потери тепла, т.к. камера сгорания ДВС не теплоизолирована. Парогазовая смесь имеет очень высокую температуру и утилизируется не полностью.The disadvantage of this engine is the low efficiency resulting from the fact that large heat losses occur in it, because ICE combustion chamber is not thermally insulated. The gas-vapor mixture has a very high temperature and is not completely utilized.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является RU (11), 2126490 (13), С1, (51) МПК6, F02C 3/30, (72) Автор(ы): Дж. Лайелл Гинтер (US), (73) Патентообладатель(и): Дж. Лайелл Гинтер (US), (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ И НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА, где этот двигатель внутреннего сгорания работает под высоким давлением. Парогазогенератор, входящий в состав данного двигателя, представляет собой камеру сгорания, которая помещена в камеру, в которую нагнетается воздух, который охлаждает стенки камеры сгорания, в которую подаются воздух, топливо и вода. Полученная парогазовая смесь - рабочее тело, состоящее из смеси сжатых неиспользованных при горении компонентов воздуха, продуктов сгорания топлива и пара, которые образованы в камере внутреннего сгорания. В устройстве используется регулятор горения, который выполнен с возможностью управления средством подачи жидкости и средством подачи топлива в процессе горения. При этом вес впрыснутой жидкости приблизительно в два и более раза превышает вес впрыснутого топлива, за счет чего масса рабочего тела увеличивается для поддержания средней температуры в соответствии с требующейся температурой эксплуатации рабочего двигателя, а камера сгорания выполнена с возможностью сгорания, по меньшей мере, 40% сжатого воздуха. Согласно изобретениям рабочее тело выдается при постоянном давлении и температуре.Closest to the claimed technical solution is RU (11), 2126490 (13), C1, (51) IPC 6 ,
Недостатками данного парогазогенератора являются недостаточно высокий КПД за счет того, что сгорание топлива происходит в смеси с парами подаваемой в камеру сгорания испаряемой жидкости, вследствие чего сгорание топлива может происходить не полностью и, соответственно, топливо будет отдавать не всю свою внутреннюю энергию, понижая КПД установки.The disadvantages of this steam and gas generator are insufficiently high efficiency due to the fact that the combustion of fuel occurs in a mixture with the vapor supplied to the combustion chamber of the evaporated liquid, as a result of which the fuel may not be completely burned and, accordingly, the fuel will not give all its internal energy, lowering the efficiency .
Технический результат заявляемого технического решения парогазогенератораThe technical result of the proposed technical solution for a gas and steam generator
- повышение КПД парогазогенератора за счет полного сгорания топлива и получения парогазовой смеси требуемого давления из продуктов сгорания этого топлива и впрыскиваемой в парогазовую установку жидкости, а также синхронизация циклов работы парогазогенератора с циклами работы входящих в силовую установку циклично работающих устройств, например, поршневой расширительной машины или других подобных устройств.- increasing the efficiency of the steam and gas generator due to the complete combustion of the fuel and obtaining the vapor-gas mixture of the required pressure from the products of combustion of this fuel and the liquid injected into the gas-vapor installation, as well as synchronizing the operation cycles of the steam and gas generator with the operating cycles of cyclically operating devices included in the power plant, for example, a piston expansion machine or other similar devices.
Данный результат получен за счет того, что парогазовая смесь образуется при созданных под управлением контроллера оптимальных условиях для сгорания топлива и теплообмена продуктов сгорания этого топлива с впрыскиваемой жидкостью или впрыскиваемым перегретым паром.This result was obtained due to the fact that the vapor-gas mixture is formed under optimal conditions created under the control of the controller for fuel combustion and heat exchange of the combustion products of this fuel with injected liquid or injected superheated steam.
Описание парогазогенератораDescription of the steam and gas generator
В состав парогазогенератора входят:The steam and gas generator includes:
- последовательно соединенные между собой редуктор сжатого воздуха рабочего давления, камера рабочего давления и камера сгорания со встроенным в нее парогенератором.- serially connected to each other a compressed air reducer of working pressure, a working pressure chamber and a combustion chamber with a steam generator built into it.
Каждый из этих редукторов сжатого воздуха рабочего давления, в свою очередь, соединен с камерой сгорания через перепускной и впускной клапаны (перепускной, при необходимости).Each of these working pressure compressed air reducers, in turn, is connected to the combustion chamber through the bypass and intake valves (bypass, if necessary).
Камера рабочего давления - емкость, в которую через редуктор сжатого воздуха рабочего давления закачивается воздух под требуемым давлением.Working pressure chamber - a container into which air is pumped under the required pressure through a working pressure compressed air reducer.
При этом камера сгорания со встроенным в нее парогенератором теплоизолирована изнутри и имеет постоянный объем, выполнена с впускным и выпускным клапанами и клапаном избыточного давления, которые открываются-закрываются механически, или при помощи электромагнитов, управляемых контроллером. При этом камера сгорания может иметь сферическую форму.In this case, the combustion chamber with a built-in steam generator is thermally insulated from the inside and has a constant volume, made with inlet and outlet valves and an overpressure valve that open-close mechanically, or using electromagnets controlled by the controller. In this case, the combustion chamber may have a spherical shape.
При этом в камере сгорания установлены как минимум:At the same time, at least:
одна форсунка впрыска топлива;one fuel injection nozzle;
одно устройство поджига топлива (электроспирали, свечи, лазера);one device for igniting fuel (electric coils, candles, lasers);
один теплообменник для подводимой жидкости;one heat exchanger for the supplied fluid;
один теплообменник для подводимого топлива;one heat exchanger for supplied fuel;
теплообменники для подводимой жидкости и подводимого топлива устанавливаются (встраиваются) в корпус камеры сгорания, они возьмут на себя часть тепла от корпуса камеры сгорания для повышения своей внутренней энергии и будут способствовать защите корпуса от перегрева;heat exchangers for the supplied liquid and the supplied fuel are installed (built in) in the housing of the combustion chamber, they will take part of the heat from the housing of the combustion chamber to increase their internal energy and will help protect the housing from overheating;
один теплообменник-генератор перегретого пара с, как минимум, одной форсункой впрыска жидкости или перегретого пара, с управляемым клапаном для перегретого пара или жидкости, при этом предпочтительно устанавливать две форсунки впрыска жидкости или перегретого пара таким образом, чтобы пары впрыскиваемой жидкости очищали от продуктов сгорания топлива теплообменник подводимой жидкости;one superheated steam heat exchanger-generator with at least one liquid or superheated steam injection nozzle, with a controlled valve for superheated steam or liquid, it is preferable to install two liquid or superheated steam injection nozzles so that the injected liquid vapors are cleaned of combustion products fuel; heat exchanger of supplied liquid;
датчики температуры и давления установлены в камере рабочего давления, а также в камере сгорания.temperature and pressure sensors are installed in the working pressure chamber, as well as in the combustion chamber.
В камере сгорания установлены форсунка впрыска топлива и устройство розжига топлива, которое может представлять собой, либо спираль розжига, либо свечу зажигания смеси, либо лазерное устройство зажигания смеси; парогенератор, который, представляет из себя теплообменник в виде трубопровода с большой площадью поверхности:A fuel injection nozzle and a fuel ignition device are installed in the combustion chamber, which can be either a spiral of ignition, or a spark plug of a mixture, or a laser device for igniting a mixture; a steam generator, which is a heat exchanger in the form of a pipeline with a large surface area:
- теплообменник может иметь ребра, увеличивающие его площадь для интенсивности теплообмена;- the heat exchanger may have fins increasing its area for heat transfer intensity;
- теплообменник имеет канал для жидкости, как минимум одну форсунку с клапаном для выпуска перегретого пара и снабжен жидкостным насосом высокого давления, а питающий его жидкостной канал снабжен автоматическим обратным клапаном.- the heat exchanger has a fluid channel, at least one nozzle with a valve for releasing superheated steam and is equipped with a high-pressure liquid pump, and the liquid channel supplying it is equipped with an automatic check valve.
Выходной коллектор каждого из парогазогенераторов - коллектор парогазовой смеси соединен с, как минимум, одним входным коллектором ресивера теплоизолированного парогазовой смеси.The output collector of each of the steam and gas generators - the collector of the gas mixture is connected to at least one input collector of the receiver of the insulated gas mixture.
Парогазогенератор (см. Фиг. 3) состоит из:The steam and gas generator (see Fig. 3) consists of:
60 - Редуктора сжатого воздуха рабочего давления.60 - Compressed air reducers working pressure.
16 - Камеры рабочего давления.16 - Working pressure chambers.
17 - Перепускного клапана (можно ставить - не ставить).17 - Bypass valve (can be set - do not set).
18 - Впускного клапана (если клапан имеет возможность держать обратное давление сжатого воздуха, создаваемое в камере рабочего давления, то клапан 17 можно не ставить).18 - Inlet valve (if the valve has the ability to hold the reverse pressure of compressed air created in the working pressure chamber, then
19 - Камеры сгорания теплоизолированной изнутри, с теплообменником-генератором перегретого пара 28.19 - Combustion chambers insulated from the inside, with a heat exchanger-generator of
20 - Выпускного клапана.20 - Exhaust valve.
21 - Клапана избыточного давления.21 - Overpressure valve.
47 - Теплообменника для подводимого топлива.47 - Heat exchanger for supplied fuel.
22 - Форсунки впрыска топлива.22 - Fuel injection nozzles.
23 - Устройства поджига топлива (электроспирали, свечи, лазера).23 - Fuel ignition devices (electric coils, candles, lasers).
24 - Трубопровода или канала подвода испаряемой жидкости.24 - Pipeline or channel for the supply of evaporated liquid.
25 - Насоса высокого давления для испаряемой жидкости.25 - High pressure pump for evaporated liquid.
26 - Обратного клапана для испаряемой жидкости.26 - Check valve for evaporated liquid.
27 - Теплообменника для подводимой жидкости.27 - Heat exchanger for the supplied fluid.
28 - Теплообменника - генератора перегретого газа.28 - Heat exchanger - superheated gas generator.
29 - Форсунки с управляемым клапаном для перегретого пара или жидкости.29 - Nozzles with a controlled valve for superheated steam or liquid.
54 - Датчика температуры камеры рабочего давления 16.54 - temperature sensor of the working
55 - Датчика давления камеры рабочего давления 1655 - Pressure sensor working
56 - Датчика температуры камеры сгорания 19.56 - The temperature sensor of the
57 - Датчика давления камеры сгорания 19.57 - Pressure sensor of the
38 - Коллектора для парогазовой смеси избыточного давления.38 - Manifolds for gas-vapor mixture overpressure.
Парогазогенератор работает следующим образом.Steam generator works as follows.
Воздух, сжатый компрессором 1, через коллектор 2 попадает в ресивер сжатого воздуха 3, в котором проходит первую ступень охлаждения;The air compressed by the compressor 1, through the
далее, проходя через интеркулер 32, воздух проходит вторую ступень охлаждения, где при обеих ступенях охлаждении повышается его удельная масса и, соответственно, масса кислорода в данной массе воздуха;further, passing through the
далее сжатый охлажденный воздух через редуктор рабочего давления 60, регулируемый контроллером 34 на основании показаний датчиков температуры 54 и давления 55, установленных в камере рабочего давления 16, под необходимым давлением попадает в камеру рабочего давления 16;further, the cooled compressed air through the working
подача в камеру сгорания 19 необходимого количества воздуха выполняется непосредственно из камеры рабочего давления 16: редуктор 60 пропускает в камеру рабочего давления 16 необходимое количество воздуха (с учетом соотношений объемов камеры сгорания 19 и камеры рабочего давления 16) и при достижении необходимого давления в камере рабочего давления 16 перекрывает поступление воздуха в эту камеру;the required amount of air is supplied to the
далее открываются перепускной клапан 17 (при его наличии) и впускной клапан 18 и охлажденный сжатый воздух под давлением из камеры рабочего давления 16 поступает в камеру сгорания 19; объем камеры рабочего давления 16 может значительно превышать объем камеры сгорания 19; при этом давление в камерах рабочего давления и камере сгорания выравнивается и клапаны 17, 18 закрываются; камера сгорания 19 готова к рабочему циклу, а камера рабочего давления 16 набирает через редуктор 60 воздух с рабочим давлением для следующего рабочего цикла с камерой сгорания 19;then open the bypass valve 17 (if any) and the
далее происходит рабочий цикл в камере сгорания 19: топливо, предварительно подогретое в теплообменнике подводимого топлива 47, под давлением впрыскивается через форсунку впрыска топлива 22 в камеру сгорания 19, перемешивается со сжатым воздухом и воспламеняется от устройства розжига 23 (свеча зажигания, спираль розжига, лазерное устройство) и сгорает в постоянном объеме камеры сгорания (изохорный процесс), при постоянно увеличивающемся давлении и температуре, что способствует эффективному и полному сгоранию топлива.then a working cycle takes place in the combustion chamber 19: the fuel preheated in the heat exchanger of the supplied
После полного сгорания топлива и поглощения жидкостью, находящейся в теплообменнике 28, части тепла от рабочего газа, открывается клапан в форсунке впрыска жидкости или перегретого пара 29 и в камеру сгорания 19 из теплообменника 28 поступает перегретые пар или распыленная жидкость, который(я) смешивается с высокотемпературными продуктами сгорания топлива, охлаждает их и, вследствие этого, образуется парогазовая смесь с заданными характеристиками, например температурой 150-500°С и давлением 60-250 атмосфер и более (в зависимости от заданных параметров ПРГС). Количество атмосферного воздуха, топлива и впрыскиваемого пара или воды в камере сгорания будет устанавливаться, и контролироваться контроллером 34 и обеспечит их нужное для цикла соотношение. Форсунок впрыска жидкости или перегретого пара 29 желательно устанавливать более одной и таким образом, чтобы пары впрыскиваемой жидкости очищали от продуктов сгорания топлива теплообменник подводимой жидкости 28, что будет способствовать более эффективному его теплообмену с высокотемпературными газами сгоревшего топлива. После окончания теплообмена между высокотемпературными продуктами сгорания и впрыснутыми перегретым паром или распыленной жидкостью, цикл образования ПРГС завершается, далее открывается выпускной клапан 20 и ПРГС под давлением поступает в теплоизолированный ресивер парогазовой смеси 7. Необходимые параметры температуры и давления поддерживаются в теплоизолированном ресивере 7 ПРГС за счет встроенных в него устройства подогрева 40 и устройства впрыска жидкости 37, (см. Фиг. 4) например электронагреватели и форсунка впрыска жидкости, где подача впрыскиваемой жидкости может обеспечиваться от насоса высокого давления 25 (см. Фиг. 3). Далее выпускной клапан 20 закрывается и открывается клапан избыточного давления 21. Оставшаяся в камере сгорания ПРГС покидает камеру сгорания через клапан избыточного давления 21 и поступает в коллектор избыточного давления 38, отдавая свое тепло подводимой в парогазогенератор жидкости через теплообменник 27. Давление в камере сгорания падает до атмосферного. Парогазогенератор готов к новому рабочему циклу. Далее цикл повторяется.After complete combustion of the fuel and absorption by the liquid in the
Пример выполнения силовой установкиPower plant example
Заявляемое техническое решение силовой установки позволяет выполнить ее в очень широком диапазоне мощности с таким количеством секций компрессора, которые смогут обеспечить сжатым воздухом необходимое количество парогазогенераторов.The claimed technical solution of the power plant allows you to perform it in a very wide range of power with so many compressor sections that can provide compressed air to the required number of steam and gas generators.
Силовая установка выполнена по отработанным технологиям из широко известных, давно применяемых в промышленности деталей, узлов и механизмов.The power plant is made according to proven technologies from well-known parts, assemblies and mechanisms that have long been used in industry.
Парогазогенератор также может иметь широкий диапазон производительности.A steam and gas generator can also have a wide range of performance.
Характеристики парогазовой смеси также могут быть различными и зависеть от параметров парогазогенератора, количества подводимого воздуха и топлива, которые в свою очередь, будут зависеть от требуемой мощности силовой установки.The characteristics of the gas-vapor mixture can also be different and depend on the parameters of the gas-vapor generator, the amount of air and fuel supplied, which, in turn, will depend on the required power of the power plant.
Таким же образом подбирается количество секций расширительной машины.In the same way, the number of sections of the expansion machine is selected.
Сравнительны расчет КПД силовой установкиComparative calculation of the efficiency of the power plant
Как было сказано выше:As stated above:
- Работа парогазогенератора и силовой установки происходит следующим образом. В камеру сгорания парогазогенератора под давлением подается воздух и топливо, смесь зажигается от устройства розжига, смесь начинает сгорать в камере сгорания, на выходе из камеры сгорания высокотемпературных продуктов сгоревшего топлива, под давлением впрыскивается подогретая в теплообменнике вода. Далее распыленные частицы воды перемешиваются с высокотемпературными продуктами сгорания топлива и испаряются. В конечном итоге, на выходе парогазогенератора получаем парогазовую смесь необходимых нам давления и температуры. Необходимые давление, температуру ПРГС получаем за счет пропорций количества сжигаемого топлива и количества впрыскиваемой воды.- The operation of the steam generator and power plant is as follows. Air and fuel are supplied to the combustion chamber of the steam and gas generator under pressure, the mixture is ignited from the ignition device, the mixture begins to burn in the combustion chamber, at the outlet of the combustion chamber of the high-temperature products of the burnt fuel, water heated in the heat exchanger is injected under pressure. Next, the atomized particles of water are mixed with high-temperature products of fuel combustion and evaporate. Ultimately, at the outlet of the steam and gas generator, we get a steam-gas mixture of the pressure and temperature we need. We obtain the necessary pressure, temperature of PRGS due to the proportions of the amount of fuel burned and the amount of injected water.
Далее по тексту: дизтопливо - ДТ, пневмомотор - ПНМ, парогазовая смесь - ПРГС.Further on: diesel fuel - DT, air motor - PNM, gas-vapor mixture - PRGS.
Справочные данные:Reference data:
10300 - теплопроизводительность 1 кг ДТ (ккал/кг),10300 - heating capacity of 1 kg of diesel fuel (kcal / kg),
86 - теплоемкость парообразования (ккал/кг),86 is the heat capacity of vaporization (kcal / kg),
1700 – величина, на которую увеличивается агрегатное состояние воды, т.е. 1 куб. см воды превращается 1700 куб. см пара (или 1,7 литра).1700 - the value by which the state of aggregation of water increases, i.e. 1 cc cm of water turns 1700 cubic meters. cm steam (or 1.7 liters).
Исходя из приведенных соотношений испаряемого объема воды и сжигаемого топлива, получаем следующие результаты:Based on the above ratios of the evaporated volume of water and fuel burned, we obtain the following results:
Получаем:We get:
10300/586=17,6 кг воды можем испарить, сжигая 1 кг дизтоплива,10300/586 = 17.6 kg of water we can evaporate, burning 1 kg of diesel fuel,
17,6 кг=17600 г (куб. см)⋅1700=29920000 куб. см = 29,92 куб. м.17.6 kg = 17600 g (cubic cm) ⋅1700 = 29920000 cubic cm = 29.92 cc m
Округляем для облегчения расчетов и принимаем 30 куб. м.We round off to facilitate calculations and take 30 cubic meters. m
Расход 1 куб. м сжатого воздуха (в нашем случае ПРГС), дает чуть меньше 1 кВт мощности (примем за 1 кВт), что доказывает сравнительный анализ пневмомоторов. Смотрим пример пневмомотора (например, марки DEPRAG, модель FM-32-LLUB), который при расходе 1,9 куб. м воздуха в минуту выдает 1,9 кВт мощности, что подтверждает расход 1 куб. м сжатого воздуха (в нашем случае ПРГС) выдает нам ~ 1 кВт мощности на валу ПНМ.Consumption 1 cubic meter m of compressed air (in our case PRGS), gives a little less than 1 kW of power (we take for 1 kW), which proves a comparative analysis of air motors. We look at an example of a pneumatic motor (for example, the DEPRAG brand, model FM-32-LLUB), which at a flow rate of 1.9 cubic meters. m of air per minute produces 1.9 kW of power, which confirms the flow rate of 1 cubic meter. m of compressed air (in our case PRGS) gives us ~ 1 kW of power on the PNM shaft.
Соответственно, вместо воздуха мы можем использовать получаемую парогазовую смесь необходимой нам температуры и давления. Таким образом, получаемые от сжигания ДТ 30 куб. м ПРГС дает ~1 кВт мощности с одного куб. м ПРГС, отсюда получаем ~30 кВт выдаваемой пневмомоторами мощности, при обеспечении его нужным количеством пневмомоторов и нужным объемом и необходимыми температурой и давлением ПРГС.Accordingly, instead of air, we can use the resulting vapor-gas mixture of the temperature and pressure we need. Thus, obtained from the combustion of
Уточнение - объем ПРГС от сжигания одного килограмма ДТ может быть больше, так как в расчетах еще не учтен объем самого газа от сгоревшего ДТ.Clarification - the amount of PRGS from burning one kilogram of diesel fuel can be greater, since the calculation of the volume of gas from the burned diesel fuel has not yet been taken into account.
Объем ПРГС посчитан на получаемую температуру пара от испарения воды - 100 °C и, соответственно, самой парогазовой смеси. Чтобы получить требуемую для работы ПНМ температуру ПРГС, часть тепла сгорания ДТ уйдет на повышения температуры самой ПРГС, так как теплоемкость пара не велика - 0,48 ккал/гр. кг, то тепла на это уйдет не много (можно пренебречь). Поправка на требуемую температуру ПРГС, для работы ПНМ, приведена ниже.The volume of PRGS is calculated on the resulting temperature of the steam from the evaporation of water - 100 ° C and, accordingly, the vapor-gas mixture itself. In order to obtain the PRGS temperature required for the PNM operation, part of the heat of combustion of the diesel fuel will go to increase the temperature of the PRGS itself, since the heat capacity of the steam is not large - 0.48 kcal / g. kg, then this will not take much heat (you can neglect). Correction for the required temperature of the PRGS for the operation of the ISM is given below.
Если мы получаем примерно 30 куб. м пара в час при сжигании 1 кг ДТ (см. ниже), то в минуту мы получаем ~0,5 куб. м пара (30 куб./60 мин). Чтобы запитать ПНМ с расходом 1,9 куб. м пара в минуту и получить 1,9 кВт/ч мощности нужно в 4 (четыре) раза увеличить объем получаемой ПРГС (до ~2 куб. м ПРГС в минуту), т.е. сжигать не 1 кг ДТ, а 4 кг ДТ (это примерно 5 литров ДТ, учитывая коэффициент перевода веса (кг) ДТ в объем (литры)). Таким образом, мы получаем в час ~120 куб. м ПРГС от сжигания одного килограмма ДТ (30 куб. м ПРГС⋅4 кг ДТ = 120 куб. м). Если принять 1 куб. м ПРГС, равный выработке мощности 1 кВт мощности, то при сжигании 4 кг ДТ в час мы получим производительность парогенератора ПРГС 120 куб. м/ч и, соответственно, мощность установки = 120 кВт.If we get about 30 cc. m of steam per hour when burning 1 kg of diesel fuel (see below), then per minute we get ~ 0.5 cubic meters. m steam (30 cubic / 60 min). To feed the PNM with a flow rate of 1.9 cubic meters. m of steam per minute and to obtain 1.9 kW / h of power, it is necessary to increase the volume of PRGS 4 (four) times (up to ~ 2 cubic meters of PRGS per minute), i.e. burn not 1 kg of diesel fuel, but 4 kg of diesel fuel (this is approximately 5 liters of diesel fuel, taking into account the weight transfer coefficient (kg) of diesel fuel in volume (liters)). Thus, we get per hour ~ 120 cubic meters. m PRGS from burning one kilogram of diesel fuel (30 cubic meters PRGS⋅ 4 kg DT = 120 cubic meters). If you take 1 cube m of PRGS equal to a power output of 1 kW of power, then when burning 4 kg of diesel fuel per hour, we get the capacity of a PRGS steam generator of 120 cubic meters. m / h and, accordingly, the power of the installation = 120 kW.
Но мы не учли затраты мощности на подготовку образования смеси для работы парогазогенератора (сжатие воздуха и впрыск воды, ДТ), а также не учли тепловые и механические потери.But we did not take into account the power consumption for preparing the formation of the mixture for the operation of a steam and gas generator (air compression and water injection, DT), and also did not take into account thermal and mechanical losses.
Уточнение: у более мощных пневмомоторов коэффициент получения мощности из ПРГС не один к одному, а меньше. Смотрим пример из практики: ПНМ (например, марки DEPRAG, модель 68-0065) мощностью 18 кВт, расходует 20 литров воздуха или ПРГС, т.е. коэффициент = 0.9 (18/20)). Т.о., получаемая мощность при применении более мощных ПНМ, будет 120⋅0,9=108 кВт.Clarification: for more powerful pneumatic motors, the coefficient of receiving power from PRGS is not one to one, but less. We look at an example from practice: PNM (for example, DEPRAG brand, model 68-0065) with a capacity of 18 kW, consumes 20 liters of air or PRGS, i.e. coefficient = 0.9 (18/20)). Thus, the resulting power when using more powerful PNMs will be 120⋅0.9 = 108 kW.
Приведенные выше расчеты приведены на получение пара и, ПРГС соответственно 100 °C, а для работы ПНМ нужна температура ПРГС - 200-300°C (может и больше), вполне вероятно мы получим не прогнозируемые 120 куб. м пара в час, а несколько меньше примерно ~100 куб. м, то соответственно получим ~90 кВт энергии, применяя коэффициент (100⋅коэффициент 0,9 = 90 см, уточнение выше по тексту). Если мы потратим часть получаемой энергии (возьмем, например, 40% от получаемой мощности) на подготовку ПРГС (сжатие воздуха и впрыск ДТ), то получим на выходе валов ПНМ (пневмомоторов) примерно 54 кВт мощности при сжигании 5 литров ДТ.The above calculations are for steam and, PRGS, respectively, 100 ° C, and for the operation of the PNM, the temperature of the PRGS is needed - 200-300 ° C (maybe more), it is likely that we will receive 120 cu. m of steam per hour, and slightly less than about ~ 100 cubic meters. m, then, accordingly, we will obtain ~ 90 kW of energy, using the coefficient (100 ⋅ coefficient 0.9 = 90 cm, the refinement is higher in the text). If we spend part of the energy received (take, for example, 40% of the received power) for the preparation of the PRGS (air compression and injection of diesel fuel), then we will receive about 54 kW of power at the output of the shaft of the PNM (pneumatic motors) when burning 5 liters of diesel fuel.
Получим ~10,8 кВт мощности при расходе 1 литра ДТ (54/5=10,8), что в два раза лучше существующих аналогов. Справочно: у аналогов на один литр расхода ДТ получаемая мощность равна примерно 5 кВт на один сжигаемый литр ДТ.We get ~ 10.8 kW of power at a flow rate of 1 liter of diesel fuel (54/5 = 10.8), which is two times better than existing analogues. For reference: for analogues per liter of diesel fuel consumption, the resulting power is approximately 5 kW per liter of diesel fuel burned.
Например: Дизельный генератор ТСС АД-50С-Т400-1РМ19, у которого расход ДТ в час равен = 10,1 л/ч при развиваемой мощности = 50 кВт или ТСС АД-60С-Т400-1РКМ11 у которого расход ДТ в час равен = 12.1 л/ч при развиваемой мощности = 60 кВт. Соответственно, на 1 литр сжигаемого ДТ приходится 5 кВт развиваемой мощности (50 кВт/10,1 = ~5 кВт или 60 кВт/12,1 = ~5 кВт).For example: TSS AD-50S-T400-1RM19 diesel generator, in which the DT consumption per hour is = 10.1 l / h with the developed power = 50 kW or TSS AD-60S-T400-1RKM11 whose DT consumption per hour is = 12.1 l / h with developed power = 60 kW. Accordingly, 5 kW of developed power (50 kW / 10.1 = ~ 5 kW or 60 kW / 12.1 = ~ 5 kW) per 1 liter of burned diesel fuel.
Так как КПД современных дизельных ДВС, применяемых в электрогенераторах, равен 35-45%, если мы усредним это значение, то получим КПД силовой установки примерно = 70-90%. Что, соответственно, примерно в два раза выше, чем у существующих на сегодняшний день аналогов ДВС и подобных силовых установок.Since the efficiency of modern diesel ICEs used in electric generators is 35-45%, if we average this value, we will get the power plant efficiency of approximately = 70-90%. That, respectively, is about two times higher than that of the existing analogues of internal combustion engines and similar power plants.
Такое значительное повышение КПД силовой установки происходит за счет увеличения массы рабочего тела (ПРГС) и, соответственно, его объема и увеличения степени расширения рабочего тела. Если сравнить степень расширения объемов рабочего тела (рабочего газа) среднестатистического современного ДВС в одном рабочем цикле одного рабочего цилиндра и степень расширения рабочего тела в парогазогенераторе заявляемой силовой установки, то значения отличаются в несколько раз не в пользу современных ДВС. Степень расширения современного ДВС приблизительно равна степени сжатия в его цилиндрах, значения которой находятся в пределах от ~10 до ~20 единиц (за исключением ДВС с применением турбины на выходе рабочих газов из цилиндра). В предлагаемой силовой установке степень расширения парогазовой смеси можно значительно увеличить, сделав ступенчатое расширение рабочего тела, тем самым получить больше работы от рабочего тела при использовании одного количества топлива и, соответственно, тепла от этого топлива.Such a significant increase in the efficiency of the power plant occurs due to an increase in the mass of the working fluid (PRGS) and, accordingly, its volume and an increase in the degree of expansion of the working fluid. If we compare the degree of expansion of the volumes of the working fluid (working gas) of the average modern ICE in one working cycle of one working cylinder and the degree of expansion of the working fluid in the steam and gas generator of the claimed power plant, then the values differ several times not in favor of modern internal combustion engines. The expansion ratio of a modern internal combustion engine is approximately equal to the compression ratio in its cylinders, the values of which are in the range of ~ 10 to ~ 20 units (with the exception of internal combustion engines using a turbine at the outlet of working gases from the cylinder). In the proposed power plant, the degree of expansion of the vapor-gas mixture can be significantly increased by making a stepwise expansion of the working fluid, thereby obtaining more work from the working fluid when using one amount of fuel and, accordingly, heat from this fuel.
Claims (28)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016128753A RU2631849C1 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Power plant and steam generator for this power plant (two versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016128753A RU2631849C1 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Power plant and steam generator for this power plant (two versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2631849C1 true RU2631849C1 (en) | 2017-09-26 |
Family
ID=59931238
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016128753A RU2631849C1 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Power plant and steam generator for this power plant (two versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2631849C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU210291U1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | LIQUID MONOMER EVAPORATOR |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3651641A (en) * | 1969-03-18 | 1972-03-28 | Ginter Corp | Engine system and thermogenerator therefor |
EP0081996A2 (en) * | 1981-12-10 | 1983-06-22 | Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. | Regenerative gas turbine cycle |
EP0209820A1 (en) * | 1985-07-22 | 1987-01-28 | General Electric Company | Water and steam injection in cogeneration system |
SU1749511A1 (en) * | 1990-08-13 | 1992-07-23 | В.Е.Бел ев, А.С.Косой, Е.В.Коротич. А.В.Равич и М.В.Синкевич | Power plant |
RU2099635C1 (en) * | 1995-04-18 | 1997-12-20 | Башкирский институт патентоведения и сертификации | Steam generator |
RU2126490C1 (en) * | 1992-10-27 | 1999-02-20 | Гинтер Дж.Лайелл | Internal combustion engine, method of its operation and continuous delivery of working medium |
-
2016
- 2016-07-14 RU RU2016128753A patent/RU2631849C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3651641A (en) * | 1969-03-18 | 1972-03-28 | Ginter Corp | Engine system and thermogenerator therefor |
EP0081996A2 (en) * | 1981-12-10 | 1983-06-22 | Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc. | Regenerative gas turbine cycle |
EP0209820A1 (en) * | 1985-07-22 | 1987-01-28 | General Electric Company | Water and steam injection in cogeneration system |
SU1749511A1 (en) * | 1990-08-13 | 1992-07-23 | В.Е.Бел ев, А.С.Косой, Е.В.Коротич. А.В.Равич и М.В.Синкевич | Power plant |
RU2126490C1 (en) * | 1992-10-27 | 1999-02-20 | Гинтер Дж.Лайелл | Internal combustion engine, method of its operation and continuous delivery of working medium |
RU2099635C1 (en) * | 1995-04-18 | 1997-12-20 | Башкирский институт патентоведения и сертификации | Steam generator |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU210291U1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" | LIQUID MONOMER EVAPORATOR |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101417143B1 (en) | Piston steam engine having internal flash vapourisation of a working medium | |
US6827104B2 (en) | Seal and valve systems and methods for use in expanders and compressors of energy conversion systems | |
US8156902B2 (en) | Gas-steam engine | |
CN102549239A (en) | Engine waste heat recovery power-generating turbo system and reciprocating engine system provided therewith | |
JPH08504014A (en) | Heat engine and heat pump | |
EA014465B1 (en) | A heat engine system | |
CN112368464B (en) | System for recovering waste heat and method thereof | |
US4432203A (en) | Rotary external combustion engine | |
RU2631849C1 (en) | Power plant and steam generator for this power plant (two versions) | |
RU2440504C1 (en) | Cogeneration plant with internal combustion engine and stirling engine | |
WO2010105288A1 (en) | Thermal engine using an external heat source | |
RU2232912C2 (en) | Method of operation and design of internal combustion piston engine with complex system of deep recovery of heat and reduction of harmful emission | |
CN1065587C (en) | A heat engine and heat pump | |
RU2439446C1 (en) | Fluid medium heater | |
CN202202903U (en) | Water spray type steam engine | |
RU2788268C1 (en) | Energy complex | |
CN102392701B (en) | Water injection type steam engine | |
RU78527U1 (en) | PISTON ENGINE | |
RU2129661C1 (en) | Steam power engine | |
RU157594U1 (en) | TRIGGER INSTALLATION | |
RU179513U1 (en) | STEAM GAS GENERATOR | |
RU71742U1 (en) | HEATING HEAT PUMP INSTALLATION | |
RU2795864C2 (en) | Waste heat recovery system and method | |
RU2007606C1 (en) | Self-contained heat supply installation | |
WO2016124924A1 (en) | Energy generation systems |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180715 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200525 |