Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения

Авторы патента:

F22B1/26 - парогенераторы с непосредственным воздействием пламени на испаряющуюся воду

Владельцы патента RU 2358190:

Грязнов Александр Никифорович (RU)
Объединенный Институт высоких температур Российской академии наук (RU)
Малышенко Станислав Петрович (RU)

Изобретение предназначено для выработки пара и может быть использовано в парогенераторах. Парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды. В камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения. Изобретение обеспечивает эффективное охлаждение камеры смешения, увеличивает температуру и давление генерируемого пара. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно парогенераторам, использующим в качестве горючего водород.

Одной из проблем при создании парогенераторов (особенно малогабаритных) является охлаждение камеры смешения. Малый расход балластировочной воды и необходимость центрирования промежуточного сопла специальными механическими приспособлениями (например, пилонами), разрывающими сплошную пелену воды, выходящую из тракта охлаждения промежуточного сопла, могут привести к тому, что на стенку камеры испарения вероятно попадание высокотемпературных «языков» газового потока, что отрицательно сказывается на надежности и эффективности работы парогенератора. Это вызывает необходимость разработки специальных средств для обеспечения надежного охлаждения камеры смешения, например, посредством испарительного охлаждения.

Известны парогенераторы, работающие на химическом топливе кислород (окислитель) - водород (горючее), камера сгорания и промежуточное сопло которых охлаждается балластировочной водой, см. патенты РФ №2079684, №2300049, опубликованную заявку №2005139564. Известно использование транспирационного (испарительного) охлаждения рабочих элементов силовых установок газодинамического принципа действия, например, из патента РФ на изобретение №2171388.

Использование испарительного охлаждения в силовых установках известно также из опубликованных японских заявок JP 11293320 (F25D 7/00), JP 2005169182 (F22B 1/18), JP 1098866 (F25B 33/00), JP 1023001 (F22B 1/06), патентов США US 5222361 (F02K 9/78), US 5970702, US 5956937, US 5715673, US 5709077, US 5135184.

Парогенератор, раскрытый в патенте РФ №2079684 (МПК F02C 3/30, F01K 21/04, F02K 9/64), включает в себя форкамеру, коллектор горючего и окислителя, водоохлаждаемую камеру сгорания и камеру смешения, разделенные устройством подачи балластировочного компонента (воды). В форкамере смонтировано электрозапальное устройство, содержащее свечу зажигания и магистрали подачи горючего и окислителя. Корпус камеры сгорания имеет тракт охлаждения, вода подается по каналам и затем сбрасывается в камеру смешения. Часть воды подается вдоль корпуса камеры смешения и за счет испарения активно его охлаждает.

За прототип может быть принято решение по патенту РФ №2300049, согласно которому парогенератор работает на химическом топливе кислород-водород с добавлением балластировочной воды и электрическим воспламенением. Узел зажигания и камера смешения объединены в единый узел воспламенительной форкамеры и смесительной головки с обеспечением подачи балластировочной воды наружного охлаждения камеры сгорания под углом к направлению потока продуктов сгорания, истекающих из промежуточного сопла, разделяющего камеру сгорания и смешения, при этом балластировочная вода подается под углом к потоку продуктов сгорания при заданном масштабе смешения. Выход струи продуктов сгорания в камеру смешения осуществлен по принципу внезапного расширения для обеспечения требуемого уровня равномерности поля температур при подаче всего расхода балластировочной воды в одном поясе, что, в свою очередь, реализует охлаждение камеры сгорания полным расходом балластировочной воды. В результате реализуется более эффективная схема организации рабочего процесса, снижены тепловые потери, уменьшена протяженность высокотемпературной зоны агрегата, обеспечено практически равномерное поле температур генерируемого пара.

В известных парогенераторах, работающих на химическом топливе кислород - водород, использующих в качестве балластировочного компонента для снижения температуры генерируемого рабочего тела воду, которой также производится охлаждение камеры сгорания, камера смешения, как правило, выполнена неохлаждаемой, что ограничивает верхний уровень температуры генерируемого рабочего тела термостойкостью конструкционного материала камеры смешения. В то же время повышение температуры генерируемого рабочего тела позволило бы увеличить КПД паросиловой установки, но это возможно лишь в том случае, если организовать активное охлаждение камеры смешения при одновременном уменьшении расхода балластировочной воды.

Однако организация традиционных способов охлаждения, таких как внешнее (проточное) или внутреннее (завесное), для камер сгорания и смешения парогенераторов весьма проблематична из-за необходимости в этих случаях использования больших расходов балластировочного компонента (воды) на эти виды охлаждения, что при попадании большого количества охлаждающей воды в объем камеры смешения обусловливает заметное снижение уровня температуры и давления генерируемого пара и, следовательно, снижение КПД устройства в целом. При этом расходы воды, необходимые для указанных выше способов охлаждения, вследствие малых габаритов изделия, т.е. малой величины отношения поверхности теплообмена к массе рабочих компонентов, будут относительно велики, а следовательно, снижение КПД значительно.

Данный недостаток устраняется настоящим изобретением, задачей которого является организация более эффективного внутреннего охлаждения камеры смешения таким малым расходом воды, добавка которого к расходу воды из тракта охлаждения камеры сгорания практически не приведет к снижению КПД.

В основу положено дополнительное внутреннее охлаждение камеры смешения частью балластировочной воды, подаваемой через пористую стенку, и организация эффективного испарения капель воды, поступающей из тракта охлаждения камеры сгорания в камеру испарения непосредственно на стенке. Для этого в камеру смешения устанавливается цилиндрический пористый вкладыш, изготовленный из пористого материала (любого известного, пригодного для данных целей, например, используемого для транспирационного охлаждения). Цилиндрический пористый вкладыш устанавливается либо без зазора между внутренней поверхностью камеры смешения и пористым материалом, либо с зазором. Пористый вкладыш обеспечивает эффективное осаждение на стенку капелек воды, поступающей из тракта охлаждения камеры сгорания в камеру испарения, и их испарение непосредственно на поверхности пористого вкладыша, что обеспечивает более эффективное охлаждение внутренней поверхности камеры смешения. Дополнительное охлаждение камеры смешения может быть обеспечено при наличии зазора между пористым вкладышем и внутренней поверхностью камеры смешения за счет подачи воды через, по меньшей мере, одну магистраль (канал) в стенке камеры смешения в зазор, образующий коллектор, и через поры, создавая тонкую пленку, равномерно распределенную по всей охлаждаемой поверхности (эффект «потения»).

В отличие от прототипа, где камера смешения выполнена неохлаждаемой, предлагаемая конструкция парогенератора с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения обеспечивает работу парогенератора при более высокой температуре и давлении рабочего тела, что, в конечном счете, дает возможность повысить КПД паросиловой установки в целом.

Предложенный водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды. При этом в камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения.

По одному из вариантов цилиндрический пористый вкладыш для обеспечения комбинированного испарительного охлаждения может быть установлен в камере смешения с радиальным зазором между внешней поверхностью вкладыша и внутренней стенкой камеры смешения, образующим собой коллектор, при этом магистраль подачи балластировочной воды в камеру смешения содержит, по меньшей мере, один канал для подачи балластировочной воды на цилиндрический пористый вкладыш.

По другому варианту цилиндрический пористый вкладыш может непосредственно примыкать к внутренней стенке камеры смешения, в этом случае желательно обеспечить равномерное смачивание поверхности вкладыша, для этого в стенке камеры смешения может быть выполнен ряд отверстий для подачи балластировочной воды.

Цилиндрический пористый вкладыш, как правило, выполняют с размером пор 10-100 мкм из материала, хорошо смачиваемого водой.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен вариант выполнения водородного высокотемпературного парогенератора, содержащего: объединенный узел зажигания и смесительной головки 1; запальную свечу 2; магистраль 3 подвода окислителя (кислород O₂); магистраль 4 подвода горючего (водород H₂) в смесительную головку; магистраль 5 отвода горючего из тракта охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; отверстия 6 для поступления горючего из коллектора в тракт охлаждения; тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; промежуточное сопло 8; тракт 9 охлаждения промежуточного сопла 8; камеру смешения 10; подсвечной канал 11; отверстия 12 для подачи горючего в подсвечной канал; струйные форсунки 13 для подачи горючего в камеру сгорания; выходное сопло 14; магистраль 15 подвода балластировочной воды (Н₂О) в тракт охлаждения промежуточного сопла; магистраль 16 подвода горючего в коллектор охлаждающего тракта цилиндрической части камеры сгорания; коллектор 17 балластировочной воды; коллектор воды 18 охлаждения камеры смешения 10; магистраль 19 подачи воды в коллектор воды охлаждения камеры смешения 10; цилиндрический пористый вкладыш 20.

Данный водородный высокотемпературный парогенератор работает следующим образом.

Окислитель из магистрали 3 поступает к торцевой части электрической запальной свечи 2, где инициируется электрическим зарядом на свече, и далее поступает в подсвечной канал. Горючее из магистрали 16 попадает в коллектор, а из него через отверстия 6 в тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания, охлаждает ее и через магистрали 5 и 4 подается в смесительную головку 1. Меньшая часть горючего через отверстия 12 подается в подсвечной канал 11, где воспламеняется с инициированным окислителем, образуя окислительный запальный факел, который истекает в камеру сгорания. Большая часть горючего через форсунки 13 подается в камеру сгорания, где перемешивается с окислительным запальным факелом и сгорает при стехиометрическом соотношении компонентов. Образующийся высокотемпературный водяной пар истекает из промежуточного сопла 8 в камеру смешения 10. Небольшая часть балластировочной воды через магистраль 19 подается в коллектор 18, а из него через пористую стенку цилиндрического вкладыша 20 проходит внутрь камеры смешения, образуя тонкую пленку, защищающую стенку камеры смешения от перегрева.

Величина радиального зазора (d) коллектора 18 определяется потребным расходом балластировочной воды и может составлять от 0 до 0,1 D, где D - диаметр камеры смешения 10. В случае d=0 смачивание системы осуществляется за счет поглощения капель, попадающих при распылении охлаждающей воды струей продуктов сгорания, истекающей из промежуточного сопла.

Температура в камере сгорания составляет 3600 К (3327°С), в камере смешения, как правило, от 400 до 1200 К (127-927°С) при давлении от 1 до 50 атм (1-50 МПа). В качестве материала для камеры смешения может быть использована жаропрочная сталь с толщиной стенок 5 мм. Размеры пор, как правило, выбираются 10-100 мкм.

Предложенное изобретение не ограничивается приведенной выше конструкцией водородного высокотемпературного парогенератора с камерой смешения, имеющей комбинированное испарительное охлаждение посредством установки цилиндрического пористого вкладыша. Техническое решение обеспечивает эффективное охлаждение камеры смешения, дает возможность повысить температуру и давление генерируемого пара, а следовательно, увеличить значение КПД паросиловой установки в целом.

1. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным испарительным охлаждением камеры смешения, работающий на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеющий электрическое воспламенение, содержащий камеру сгорания с системой охлаждения и промежуточным соплом, камеру смешения с магистралью для подачи балластировочной воды и выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом в камере смешения установлен цилиндрический пористый вкладыш, обеспечивающий комбинированное испарительное охлаждение камеры смешения, смачивание которого обеспечивают орошением балластировочной водой, поступающей из системы охлаждения камеры сгорания и магистрали для подачи балластировочной воды в камеру смешения.

2. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический пористый вкладыш для обеспечения комбинированного испарительного охлаждения установлен в камере смешения с радиальным зазором между внешней поверхностью вкладыша и внутренней стенкой камеры смешения, образующим собой коллектор, при этом магистраль подачи балластировочной воды в камеру смешения содержит, по меньшей мере, один канал для подачи балластировочной воды на цилиндрический пористый вкладыш.

3. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический пористый вкладыш непосредственно примыкает к внутренней стенке камеры смешения.

4. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический пористый вкладыш имеет размер пор 10-100 мкм.

Похожие патенты:

Парогенератор // 2309325

Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газо- и паротурбинных, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента (вода, отработанный водяной пар) с горячим газом - продуктом сгорания водорода в кислороде, а более конкретно - к конструкциям парогенераторов.

Мини-парогенератор // 2300049

Изобретение относится к парогенераторам для силовых установок, преимущественно паротурбинных, использующих в качестве рабочего тела пар, генерируемый посредством перемешивания высокотемпературных продуктов сгорания водорода с кислородом с балластировочным компонентом - водой.

Теплопарогенератор // 2251640

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение в любой хозяйственной области, где требуется получение одного или нескольких теплоносителей одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь).

Теплопарогенератор // 2247280

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение там, где требуется получение нескольких видов теплоносителя одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь) с повышенным давлением по отношению к давлению газа и воздуха на входе в устройство.

Парогенератор // 2226646

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для производства пара и горячей воды. .

Способ работы термогенератора // 2183791

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для выработки тепловой энергии и подачи ее с помощью вырабатываемого биагентного теплоносителя потребителю.

Парогенератор // 2121623

Изобретение относится к устройствам для получения пара и предназначено для применения в нефтяной промышленности, преимущественно в установках для термической очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых осадков.

Парогенератор // 2089782

Изобретение относится к теплотехнике и может быть широко использовано в пожарной технике как огнетушитель для объемного тушения легковоспламеняющихся веществ в условиях производства, там, где необходимо быстро получить определенный объем парогаза или двухфазной пароводяной среды низкой температуры любого состава, а также для создания неограниченного давления в емкостях неограниченного объема.

Генератор парогаза // 2066020

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано для выработки парогаза высокого давления, который может применяться для работы турбин и поршневых машин, а также для теплообмена.

Устройство для получения пара // 2059152

Изобретение относится к теплотехнике и может быть широко использовано в пожарной технике для объемного тушения легковоспламеняющихся веществ в условиях производства, а также там, где необходимо получить определенный объем парогаза или двухфазной пароводяной среды низкой температуры, любого состава в малый промежуток времени.

Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания // 2358191

Изобретение относится к силовым установкам паротурбинного типа, а именно парогенераторам, использующим в качестве горючего водород

Парогенератор // 2396485

Изобретение относится к парогенераторам и может быть использовано как автономный агрегат для получения парогазовой смеси

Котел пульсирующего горения // 2419027

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлах пульсирующего горения для нагревания воды в системах отопления

Система сжигания водорода для пароводородного перегрева свежего пара в цикле атомной электрической станции // 2427048

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С)

Парогенератор (варианты) // 2431079

Изобретение относится к тепловым энергетическим установкам, а именно к парогенераторам, использующим в качестве компонентов топлива кислород и водород с добавлением балластной воды, и может быть использовано в паросиловых установках, где в качестве рабочего тела используется водяной пар

Способ и устройство для скважинного газогенератора // 2513737

Группа изобретений относится к скважинному парогенератору. Устройство может включать в себя секцию введения, секцию сжигания и секцию парообразования. Система скважинного парогенератора содержит секцию введения, выполненную с возможностью введения топлива и окислителя в камеру сгорания; секцию сгорания, содержащую лейнер, и секцию парообразования, содержащую форсунку. Лейнер образует камеру сгорания. Причем лейнер содержит путь потока, проходящий через лейнер для подачи текучей среды к лейнеру. Секция парообразования выполнена с возможностью введения текучей среды из пути потока лейнера к камере сгорания. Причем форсунка соединена с лейнером посредством трубы, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между путем потока лейнера и форсункой. Подают топливо, окислитель и текучую среду в устройство. Сжигают топливо и окислитель в камере с подачей текучей среды через множество каналов, проходящих через лейнер. Нагревают текучую среду и охлаждают лейнер. Вводят капли нагретой текучей среды в камеру. Превращают капли в пар с помощью сжигания. Техническим результатом является повышение эффективности извлечения нефти из пласта. 5 н. и 43 з.п. ф-лы, 22 ил.

Энергетическая система // 2538979

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может использоваться для автономного обеспечения потребителей различными видами энергии. Изобретение позволяет достигнуть высоких экологических показателей при получении горячей воды и снизить энергопотребление при ее нагреве, расширить диапазон автономного и мобильного обеспечения потребителей различными видами энергии. Указанный технический результат достигается тем, что система содержит источники кислорода и водорода, парогенератор, пароводяной эжектор с активным и пассивным контурами, источник воды и потребитель горячей воды, где парогенератор снабжен трубопроводами подвода кислорода, водорода, балластировочной воды, отвода пароводяной смеси и включает объединенный узел устройства зажигания и форсунок, причем трубопроводы подвода кислорода и водорода к парогенератору оснащены каждый краном и жиклером и подключены на входе к источникам кислорода или водорода, притом к активному контуру эжектора на входе подключен трубопровод отвода пароводяной смеси от парогенератора, пассивный контур эжектора на входе соединен трубопроводом с источником воды, а выход эжектора подключен к потребителю горячей воды. Дополнительно система содержит регуляторы давления и гидротурбину, соединенную валом с потребителем мощности, выход эжектора подключен к потребителю горячей воды через гидротурбину, краны сделаны запорными, регуляторы давления установлены в трубопроводах подвода кислорода и водорода между кранами и жиклерами. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Парогенератор // 2544417

Изобретение предназначено для выработки высокотемпературного водяного пара и может быть использовано в силовых установках. Парогенератор содержит запальное устройство с электросвечой, смесительную головку с магистралями подвода окислителя, горючего и воды на завесное охлаждение, камеру сгорания с каналами тракта охлаждения и профилированной торцевой стенкой для направления балластировочной воды, камеру смешения с отверстиями для подачи балластировочной воды. Каналы тракта охлаждения камеры сгорания выполнены под острым углом к оси парогенератора, а отверстия для подачи балластировочной воды в зону смешения выполнены также под острым углом к оси парогенератора, и направлены в противоположную сторону относительно каналов тракта охлаждения камеры сгорания. Изобретение улучшает процесс перемешивания воды с продуктами сгорания компонентов топлива за счет наличия дополнительной турбулентной составляющей, что позволяет получить качественный фракционный состав водяного пара при уменьшенной длине камеры смешения. 2 ил.

Способ получения пара и устройство для его реализации // 2552439

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при разработке оборудования для бань стационарного и мобильного типов. Способ получения пара заключается в обеспечении взаимодействия парообразующей жидкости с разогретым теплообменным материалом. Парообразующую жидкость подают в предварительно расположенные в теплообменном материале емкости в виде вертикальных патрубков, состоящих из двух частей, нижней и верхней, для парообразующей жидкости, расположенных в нижней части вертикальной центральной полой стойки. Емкости патрубков заполняют парообразующей жидкостью. В верхней части центральной полой стойки установлена емкость для парообразующей жидкости с гидрозатвором. Каждый вертикальный патрубок в своей центральной части соединен с центральной стойкой соединительным патрубком. Между местом их соединения с центральной стойкой и ее нижним торцом образована полость. В верхней части вертикальных патрубков и нижней части вертикальной стойки в месте ее соединения с упомянутыми соединительными патрубками выполнены каналы, соединяющие полость устройства с окружающей средой. Каналы в вертикальных патрубках расположены выше проходного сечения соединительных патрубков. Достигаемый результат - упрощение обслуживания и повышение экономичности работы устройства за счет увеличения времени подачи пара без обслуживающего персонала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ получения высокотемпературного парогаза в жидкостном ракетном парогазогенераторе // 2557139

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в эжекторных установках для имитации высотных условий при испытаниях ракетных двигателей, а также в силовых установках паротурбинного типа. Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа, обеспечивающего повышение надежности и эффективности парогенератора, используемого в качестве стендового агрегата. Для решения задачи в способе получения высокотемпературного парогаза в жидкостном ракетном парогазогенераторе, включающем подачу компонентов топлива в камеру сгорания парогазогенератора и их сжигание с образованием высокотемпературных продуктов сгорания, в которые в камере смешения парогазогенератора впрыскивают воду с получением парогаза, отличающемся тем, что часть воды, используемой для получения парогаза, в количестве 30…40% от суммарного расхода этой воды и горючего, подают на регенеративное охлаждение огневого днища смесительной головки камеры сгорания парогазогенератора с последующим ее впрыском через выдвинутые в камеру сгорания форсунки, установленные на огневом днище, а остальную часть воды, впрыскиваемой в высокотемпературные продукты сгорания в камере смешения, подают в виде пучков капель, равномерно распределенных по поперечному сечению высокотемпературных продуктов сгорания. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.