Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания

Авторы патента:

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

Владельцы патента RU 2358191:

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. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой. Изобретение обеспечивает возможность повышения давления и температуры в парогенераторе и улучшает эффективность его работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

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

Известны парогенераторы, работающие на химическом топливе кислород (окислитель) - водород (горючее), камера сгорания и промежуточное сопло которых охлаждается только балластировочной водой, см. патенты РФ № 2079684, № 2300049, опубликованную заявку РФ на изобретение № 2005139564.

Также высокотемпературные силовые установки с активными системами охлаждения известны из опубликованных японских заявок JP 07-145742 (F02C 3/20), JP 2004-232632 (F01K 25/00), JP 2004-076634 (F02C 3/22), JP 2004-036535 (F01D 25/18), JP 2000-274213 (F01K 25/00).

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.

Известные парогенераторы вследствие высоких тепловых нагрузок на огневую стенку камеры сгорания и лимитирования заданной температурой генерированного пара количеством балластировочной воды имеют ограничения по верхнему пределу давления в камере сгорания и максимальной температуры генерируемого пара, в частности, обусловленные располагаемыми запасами по общему и местному теплосъему охлаждающей воды. А это, в свою очередь, ограничивает уровни достижимого значения КПД турбины и, следовательно, снижает эффективность силовых установок в целом.

Этот недостаток устраняется настоящим изобретением, задачей которого является усовершенствование схемы охлаждения камеры сгорания парогенератора и, как следствие, повышение КПД паросиловых установок, создаваемых на базе этих парогенераторов.

Поставленная задача решается тем, что охлаждающий тракт камеры сгорания парогенератора условно разделен на два участка: первый - охлаждающий тракт цилиндрической части камеры сгорания и второй - охлаждающий тракт промежуточного сопла. Решение основано на охлаждении камеры сгорания комбинированным способом - цилиндрическая часть камеры сгорания охлаждается рабочим расходом водорода, а область промежуточного сопла - расходом балластировочной воды.

В отличие от прототипа, где цилиндрическая часть камеры сгорания и промежуточное сопло охлаждаются только балластировочной водой, в нашем случае цилиндрическая часть камеры сгорания охлаждается полным расходом водорода, а промежуточное сопло - балластировочной водой. Вследствие этого значительно увеличиваются располагаемые запасы по общему и местному теплосъему камеры сгорания в целом, что позволяет уменьшить расход балластировочной воды, по меньшей мере, в два раза, повысить величину давления в камере сгорания парогенератора в 1,5-1,7 раза, увеличить температуру генерируемого пара и, следовательно, увеличить КПД паросиловой установки.

Предложенный водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания работает на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеет электрическое воспламенение, содержит камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части, - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой.

Соответственно парогенератор содержит подводящую магистраль водорода для последующей подачи его в тракт охлаждения цилиндрической части камеры сгорания, а также подводящую магистраль балластировочной воды для последующей подачи ее на промежуточное сопло и в камеру смешения.

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 (кислорода О₂); магистраль 4 подвода горючего (водорода H₂) в смесительную головку; магистраль 5 отвода горючего из тракта 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; отверстия 6 для поступления горючего из коллектора 17 в тракт 7 охлаждения цилиндрической части камеры сгорания; 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 11; струйные форсунки 13 для подачи горючего в подсвечной канал 11; выходное сопло 14; магистраль 15 подвода балластировочной воды (H₂O) в тракт охлаждения промежуточного сопла 8; магистраль 16 подвода горючего в коллектор 17 охлаждающего тракта 7 цилиндрической части камеры сгорания.

Водородный высокотемпературный парогенератор по настоящему изобретению работает следующим образом.

Окислитель (О₂) из магистрали 3 поступает к торцевой части электрической запальной свечи 2, где инициируется электрическим разрядом на свече 2, и далее поступает в подсвечной канал 11. Горючее (Н₂) из магистрали 16 попадает в коллектор 17, 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. Образующийся высокотемпературный водяной пар истекает из промежуточного сопла 8 в камеру смешения 10, Сюда же через магистраль 15, коллектор 17 и тракт 9 охлаждения промежуточного сопла 8 подается балластировочная вода (Н₂О) при комнатной температуре (300 К, т.е. 27°С), которая перемешивается с высокотемпературным водяным паром, образуя рабочее тело (водяной пар) заданного уровня температуры.

Температура в камере сгорания составляет 3600 К (3327°С), в камере смешения, как правило, от 400 до 850 К (127-577°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.

Предложенное изобретение не ограничивается приведенной выше конструкцией водородного высокотемпературного парогенератора, в котором для эффективного охлаждения камеры сгорания помимо балластировочной воды, прежде всего, используют водород. Кроме того, водород, участвуя в охлаждении камеры сгорания, предварительно подогревается перед сгоранием, что повышает эффективность рабочего процесса. Также уменьшается расход балластировочной воды для охлаждения камеры сгорания. Данное техническое решение вследствие увеличения запасов по теплосъему в камере сгорания обеспечивает возможность уменьшения расхода балластировочной воды и повышения в 1,5-1,7 раза давления и температуры в парогенераторе и, как следствие, позволяет увеличить КПД паросиловой установки в целом, что соответственно повышает ее экономичность.

1. Водородный высокотемпературный парогенератор с комбинированным охлаждением камеры сгорания, работающий на химическом топливе с добавлением балластировочной воды, имеющий электрическое воспламенение, содержащий камеру сгорания с цилиндрической частью и промежуточным соплом, посредством которого она соединена с камерой смешения, камеру смешения с выходным соплом, а также подводящие магистрали для подачи химического топлива и балластировочной воды, при этом камера сгорания выполнена с охлаждающим трактом, разделенным на две части - трактом охлаждения цилиндрической части камеры сгорания водородом и трактом охлаждения промежуточного сопла камеры сгорания балластировочной водой.

2. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что содержит подводящую магистраль водорода для последующей подачи его в тракт охлаждения - цилиндрическую часть камеры сгорания, а также подводящую магистраль балластировочной воды для последующей подачи ее на промежуточное сопло и в камеру смешения.

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

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.

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.

Способ получения пара и устройство для его осуществления // 2557157

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к конструкциям парогенераторов. Задачей изобретения является упрощение осуществления способа и упрощение конструкции устройства. Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе получения пара, включающем горение топлива, контактирование газообразных продуктов горения топлива с водосодержащей средой и отвод образующегося пара, в качестве топлива используют смесь водорода с кислородом или с воздухом при соотношении водорода и кислорода в указанной смеси, обеспечивающем ее горение в режиме взрыва, обеспечивают контактирование газообразных продуктов горения топлива с водосодержащей средой путем их ввода под поверхность водосодержащей среды с образованием в ней парогазовых пузырей и последующим выделением из указанных пузырей пара при достижении ими поверхности водосодержащей среды. Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в устройстве для получения пара, содержащем по меньшей мере одну камеру сгорания, снабженную выпускным отверстием, узел подвода топлива в камеру сгорания, узел воспламенения топлива, камеру испарения, сообщенную через выходное отверстие с камерой сгорания, согласно изобретению узел подвода топлива включает узел подвода водорода и узел подвода кислорода или воздуха, камера испарения изготовлена в виде закрытого сверху резервуара, выполненного с возможностью заполнения его нижней части водосодержащей средой, при этом в камере испарения установлена по меньшей мере одна открытая с двух концевых участков отводная труба, один концевой участок которой сообщен с выпускным отверстием камеры сгорания, а другой концевой участок расположен в резервуаре таким образом, что он оказывается заглубленным по отношению к поверхности заполняющей резервуар водосодержащей среды. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.