Download to read offline
More Related Content
30000ip
- 1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН (19) KZ(13) A4 (11) 30000 (51) F22B 3/06 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ (21) 2014/0308.1 (22) 14.03.2014 (45) 15.06.2015, бюл. №6 (76) Овчаров Михаил Степанович (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ВИДЕ ПАРА И КОНСТРУКЦИЯ ПАРОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (57) Предлагаемое изобретение относится к способам получения тепловой энергии в виде пара и конструкции парогенератора для его реализации, который используется при теплофикации промышленных и гражданских объектов, для нагревания каких-либо тел в технологических процессах производства, а также в качестве рабочего тела тепловых агрегатов. Целью настоящего изобретения является упрощение технологической цепочки получения пара высокого давления и решение вопроса экологической охраны окружающей среды. Способ получения тепловой энергии в виде пара, заключающийся в том, что от определенного замкнутого объема сухого перегретого пара, находящегося под давлением в сосуде, циклически отсекается порция пара и сообщается с тепловым агрегатом, а в оставшийся объем сухого перегретого пара циклически впрыскивается порция воды, которая испаряется от тепла, накопленного от циклически сжимаемого жидкого наполнителя в тепловой печке, создает первоначальный замкнутый объем сухого перегретого пара с первоначальным давлением. Конструкция парогенератора для получения тепловой энергии в виде пара выполнена в виде корпуса с замкнутой полостью и, подвижно связанных между собой, золотника - дозатора с пилотом управления, причем в замкнутой полости корпуса парогенератора постоянно находился объем воды, в виде сухого перегретого пара и тепловая печка с оребренной поверхностью и с наполнителем, при этом, тепловая печка через плунжер и поршень образуют с корпусом парогенератора порционную камеру, объем которой вместе с управляемыми полостями и подводящими каналами соответствует объему сухого насыщенного пара, полученного при испарении циклически подаваемой в замкнутую полость корпуса порции воды. (19)KZ(13)A4(11)30000
- 2. 30000 2 Предлагаемое изобретение относитсяк способам получения тепловой энергии в виде пара и к устройствам для его реализации, который используется при теплофикации промышленных и гражданских объектов, для нагревания каких-либо тел в технологических процессах производства, а также в качестве рабочего тела тепловых агрегатов. В настоящее время получения пара осуществляется по преимуществу в специальных агрегатах - паровых котлах и транспортируется к потребителю, иногда на большие расстояния. В зависимости от назначения паровые котлы бывают разнообразной конструкции, разных размеров и сильно отличаются между собой. Для домашнего пользования применяются малые котлы с поверхностью нагрева в несколько квадратных метров. На крупных электростанциях применяются паровые котлы в несколько тысяч квадратных метров и высотой в десятки метров, производящих до 1000 т/ч пара. В паровых котлах, независимо от назначения, величины и конструкции, пар получается известным способом, а именно - при постоянном давлении; величина же давления бывает различная, от 1-2 до 300 атм. и более. Во всех случаях (не считая атомные электростанции) нагрев воды и получение пара осуществляется за счет сжигания топлива - угль, газ, дрова, продукты переработки нефти, природный горючий газ и др. Наиболее существенным недостатком известного способа получения пара это необходимо постоянно иметь запас топлива и складские помещения, сложность технологической цепочки получения тепловой энергии, значительные габаритные размеры паросиловых установок, большая трудоемкость получения пара, ощутимый экологический вред, наносимый окружающей среде. Целью настоящего изобретения является упрощение технологической цепочки получения пара высокого давления и решение вопроса экологической охраны окружающей среды. Получение тепловой энергии в виде пара по предлагаемому способу является пионерным, этот способ не имеет аналогов и прототипов и заключается в том, что от определенного замкнутого объема сухого перегретого пара, находящегося под давлением в сосуде, циклически отсекается порция пара и сообщается с тепловым агрегатом, а в оставшийся замкнутый объем сухого перегретого пара циклически впрыскивается порция воды, которая испаряется от тепла, накопленного от циклически сжимаемого жидкого наполнителя в тепловой печке, создает первоначальный замкнутый объем сухого перегретого пара с первоначальным давлением. На фиг.1 представлена диаграмма изменения состояния водяного пара в координатах Р, V, которая показывает циклический характер способа получения тепловой энергии в виде пара. Способ получения тепловой энергии в виде пара осуществляется за пределами критической точки водяного пара (температура 374, 15°С и давление 225,65 кг/см2 ), в зоне сухого перегретого пара (А.М. Литвин. Теоретические основы теплотехники. -М.: ГЭИ 1960, с.113-130; Теплотехника. А.М. Архаров, С.И.Исаев, И.А. Кожинов и др. Под общ. ред. В.И. Крутова. М.: Машиностроение, 1986, с.33). В начальном состоянии сухой перегретый пар находится в замкнутом сосуде с определённым объемом и характеризуется точкой 1. Затем, часть пара (объем) при постоянном давлении отсекается от замкнутого сосуда и сообщается с потребителем тепловой энергии. Объем сухого перегретого пара уменьшается. Обозначим оставшийся объем пара точкой 2. Процесс изменения состояния пара от точки 1 до точки 2 характеризуется изобарой. От точки 2 до точки 3 происходит впрыск порции воды, и сухой перегретый пар превращается во влажный насыщенный пар. Давление пара понижается, но объема пара практически не изменяется. Процесс изменения состояния пара от точки 2 до точки 3 характеризуется изохорой. От точки 3 до точки 4 происходит резкое увеличение объема пара, на величину объёма отсечения (т.е. пар принимает первоначальный объём). Давление пара в замкнутом сосуде падает, однако его температура остается неизменной. Кривая 3,4 характеризует изотермический процесс или изотермическое расширение пара. От точки 4 до точки 1 происходит нагрев влажного насыщенного пара до первоначального состояния сухого перегретого пара. Наблюдается изохорный процесс парообразования. Далее цикл повторяется. Таким образом, в предлагаемом способе получения пара в виде тепловой энергии, процесс парообразования состоит из двух изохор одной изобары и одной изотермы. Круговой процесс парообразования, изображенный на диаграмме в координатах Р, V не имеет аналогов в мировой практике. Способ получения тепловой энергии в виде пара основан на известных положениях гидравлики и теплотехники. Из гидравлики известно, что при сжатии жидкости (легкоплавкие металлы) и с последующим сбрасывании давления до нуля её температура может быть вычислена по формуле (Машиностроительная гидравлика. Башта Т.М. М: Машиностроение, 1971, с.118; Инновационный патент №22062. Способ получения тепловой энергии Овчарова и устройство для его реализации) p,0,02328tводыдляили mc p t (1) где Δр - изменение давления в жидкости; с - удельная теплоемкость жидкости; γ - объемный вес жидкости; m - механический эквивалент тепла. Из этого выражения следует, что если воду, быстро сжать до 100 кг/см2 и затем сообщить с атмосферой, её температура повысится на 2,23°С, при этом, тепло выделяющееся при сжатии ие рассеивается, а концентрируется в жидкости. Используя вместо воды жидкий свинец, (который плавится при температуре 327,5°С), при сжатии и с последующим сбрасывании давления до
- 3. 30000 3 нуля температура, каки у воды, будет повышаться на величину Δt=0,057Δp (2) Из этого выражения следует, что если жидкий свинец, находящийся под давлением 100 кг/см2 , сообщить с атмосферой, температура свинца поднимется на 5,7°С. Получается, что при одном и том же давлении разные нагреваемые тела нагреваются на разные температуры. Следовательно, раз свинец при одном и том же давлении нагревается на большую температуру чем вода, то излишек температуры можно пустить на нагрев дополнительной порции воды. Эта особенность и используется в предлагаемом способе получения тепловой энергии. Из теплотехники известно, что количество теплоты, которое необходимо затратить на испарение воды и превращения её в сухой перегретый пар складывается из количества тепла необходимого для нагрева воды до температуры кипения и количества тепла необходимого для превращения кипящей воды в сухой перегретый пар. i// =i/ +r, (3) где i/ - теплосодержание воды (жидкости); i// - теплосодержание сухого насыщенного пара; r - количество теплоты, необходимое для превращения воды, нагретой до температуры насыщения при данном давлении, в сухой перегретый пар. Учитывая, что при нагреве и испарении воды происходит и изменение давления в замкнутом сосуде, то это усложняет ведение расчетов расходуемого тепла. На практике пользуются специальными таблицами, которые характеризуют теплосодержание пара при различиых давлениях и температурах. При нагреве легкоплавкого металла до критической температуры воды он только плавится, но не кипит, то количество теплоты которое необходимо затратить для нагрева свинца Qc будет определяться по формуле: Qc=ccmc(t2-t1), (4) где cс - удельная теплоемкость свинца; mс- масса свинца; t1, t2 - начальная и конечная температура нагрева свинца. Начальная температура нагрева свинца равна конечной температуре нагрева пара, а конечная температура будет определяться из выражения 2, где изменение давления Δр=225,65 кг/см2 . Для устойчивой работы предлагаемого способа необходимо выдержать соотношение i// =Qc. Приравняв формулы (3) и (4), определим массу свинца, необходимого для испарения единицы массы воды 2 / t зc c tc rim m B Если масса свинца будет меньше расчетной, то накапливаемая температура в свинце не будет обеспечивать полного испарения порции впрыскиваемой воды и превращения её в сухой перегретый пар. Если масса свинца будет больше расчетного, то накапливаемая температура в свинце будет больше чем необходимо для испарения порции воды, в этом случае испарение воды и перегрев пара будет выполняться быстрее и, следовательно, увеличится частота импульсов выбрасываемой порции пара. Для реализации способа получения тепловой энергии в виде пара разработана конструкция парогенератора. Технический результат для получения тепловой энергии в виде пара достигается тем, что конструкция парогенератора выполнена в виде корпуса с замкнутой полостью и, подвижно связанных между собой, золотника дозатора с пилотом управления, причем в замкнутой полости корпуса парогенератора постоянно находится объем воды, в виде сухого перегретого пара, и тепловая печка с оребренной поверхностью и с наполнителем, при этом, тепловая печка через плунжер и поршень образуют с корпусом парогенератора порционную камеру, объем которой вместе с управляемыми полостями и подводящими каналами соответствует объему сухого насыщенного пара, полученного при испарении циклически подаваемой в замкнутую полость корпуса порции воды. На фиг.2 представлена принципиальная схема парогенератора; а на фиг.3 представлена конструкция парогенератора. Конструкция парогенератора (фиг.2, 3) состоит из корпуса 1, который выполнен с замкнутой полостью А, пилота управления 2 и золотника дозатора 3. Пилот управления 2 и золотник - дозатор 3 подвижно связаны между собой, причем золотник - дозатор обеспечивает фиксацию пилота управления 2 в положении I и II. Кроме этого, внутри замкнутой полости A, корпуса парогенератора 1, установлена тепловая печка 4, с оребренными цилиндрическими поверхностями и заполненная легкоплавким металлом (например, свинцом, который плавится при температуре 327,5°С), а также находится вода, которая испаряясь, образует в замкнутой полости сухой перегретый пар. Тепловая печка 4 посредством плунжера 5 и поршня 6 образует с корпусом парогенератора 1 порционную камеру В, которая циклически заряжается паром через канал а, пилот управления в положении II канал в, полость С, блока цилиндра 7, и канал с, а также циклически сообщается с тепловым агрегатом через канал d и пилот управления 2 в положении II. Блок цилиндра 7 вместе с золотником - дозатором 3, образуют три полости С, D и Е. Полость С постоянно сообщена с полостью В, полость D сообщена с жидкостью теплового агрегата, а полость Е с замкнутой полостью сосуда А. Золотник - дозатор со стороны полости С имеет площадь несколько больше, чем со стороны полости Е, поэтому при равенстве давлений пара в этих полостях он имеет возможность перемещаться вниз. Кроме этого, золотник - дозатор работает в комплексе с двумя обратными клапанами 8,9. При перемещении золотника-дозатора вниз, в полости D
- 4. 30000 4 появляется разряжение, ижидкость из теплового агрегата через канал k и обратный клапан 8 всасывается в эту полость. При движении золотника-дозатора вверх, обеспечивает впрыск порции жидкости через обратный клапан 9 и канал ƒ в замкнутую полость А. Объем впрыскиваемой жидкости, при её полном испарении, равен суммарному объему полостей B, С и каналам в и с. При положении пилота управления 2 в позиции II полости В и С сообщаются через канал а с замкнутой полостью А и давление в них уравновешивается, золотник - дозатор за счет давления в полости С опускается вниз. При положении пилота управления в позиции I полости В и С сообщаются с тепловым агрегатом и давление в них падает до давления в тепловом агрегате и золотник - дозатор 3 за счет давления в полости Е поднимается вверх. Пилот управления 2 находится в зацеплении с золотником-дозатором 3 через тягу 10, выполненную с двумя ограничителями хода. При движении золотника-дозатора вверх или вниз, он взаимодействует с ограничителями хода передергивает пилот управления, обеспечивая тем самым циклическое сообщение полости В и С с тепловым агрегатом, либо с замкнутой полостью А, корпуса парогенератора, а также циклическую подачу (впрыск) жидкости в замкнутую полость А. Запуск парогенератора в работу осуществляется от постороннего источника тепла, например, электрической плитки. После полного испарения воды и превращения её в сухой перегретый пар, источник тепла отключается, и парогенератор входит в автоматический режим работы. Конструкция парогенератора работает следующим образом. Замкнутая полость А с порцией воды греется от постороннего источника тепла, до тех пор, пока вся вода не достигнет параметров критической точки (температуры 374,15°С и давления 225,65кг/см2 ) и не превратится в сухой перегретый пар. Работа парогенератора осуществляется за пределами критической точки. Через канал а, пилот управления 2 и каналы в и с, полости золотника- дозатора С и тепловой печки В также заполнены паром с теми же параметрами. Так как площадь золотника - дозатора со стороны полости С больше площади золотника - дозатора со стороны полости Е, то за счет разности сил, возникающих от действия давления пара, золотник - дозатор перемещается вниз и в полости D возникает разряжение и наполнение её водой, через канал k и обратный клапан 8. В конце хода золотник-дозатор воздействует на нижний упор тяги пилота управления 2 и перемещает его до тех пор, пока пилот управления не встанет в положение I. В этом положении полости В и С отсекаются от замкнутой полости А и сообщаются через канал с и d с тепловым агрегатом, в котором давление значительно меньше. Давление в этих полостях падает. Полное переключение пилота управления 2 гарантируется разностью площадей золотника- дозатора и давлением пара до тех пор, пока силы со стороны полости С не сравняется с силами со стороны полости Е. Как только давление в полостях В и С упали, сила действия пара со стороны полости Е начинает перемещать золотник-дозатор вверх и выдавливать жидкость из полости D через обратный клапан 9 и канал ƒ в замкнутую полость корпуса парогенератора А. В конце хода золотника - дозатора вверх он воздействует на верхний упор тяги пилота управления 2 и перемещает его до тех пор, пока пилот не встанет в положение II. Полное переключение пилота управления 2 гарантируется временем наполнения паром свободных полостей В и С и временем возрастания силы со стороны полости С до значений, которые начинают перемещать золотник-дозатор вниз. Далее цикл повторяется. Предлагаемый способ получения тепловой энергии в виде пара может быть использован для отопления жилых помещений и промышленных зданий, а также для использования в тепловых двигателях. Конструкция парогенератора проста в исполнении, имеет малые габаритные размеры и является экологически чистым способом производства тепловой энергии. При внедрении данного способа получения тепловой энергии в виде пара и конструкции парогенератора в производство, страна получит значительный экономический эффект. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения тепловой энергии в виде пара, заключающийся в том, что от определенного замкнутого объема сухого перегретого пара, находящегося под давлением в сосуде, циклически отсекают порцию пара и сообщают с тепловым агрегатом, а в оставшийся объем сухого перегретого пара циклически впрыскивают порцию воды, которая испаряется от тепла, накопленного от циклически сжимаемого жидкого наполнителя в тепловой печке, создает первоначальный замкнутый объем сухого перегретого пара с первоначальным давлением. 2. Парогенератор для получения тепловой энергии в виде пара, состоящий из корпуса с замкнутой полостью и подвижно связанных между собой, золотника-дозатора с пилотом управления, причем внутри замкнутой полости корпуса парогенератора постоянно находится объем воды, в виде сухого перегретого пара и тепловая печка с оребренной поверхностью и с наполнителем, при этом, тепловая печка через плунжер и поршень образуют с корпусом парогенератора порционную камеру, объем которой вместе с управляемыми полостями и подводящими каналами золотника - дозатора и пилота управления соответствует объему сухого насыщенного пара, полученного при испарении циклически подаваемой в замкнутую полость корпуса парогенератора порции воды.
- 5.