Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_5100
.pdf
следующем заявлении:
Данное изобретение относится к генерации паров из жидкостей и, в частности, к генерации пара.
При производстве и использовании пара для привода двигателя происходят три основных потери. Во-первых,
теряется определённое количество тепла, выделяемого при сгорании, поскольку температура газов,
выходящих из дымовой трубы, всегда значительно выше температуры атмосферы, даже при использовании
воздухоподогревателей, пароперегревателей, экономайзеров и подогревателей питательной воды. Вторая и
наиболее серьёзная потеря заключается в скрытой теплоте пара, которую невозможно в значительной
степени восстановить. Третья потеря происходит в самом паровом двигателе из-за конденсации пара в
двигателе при недостаточном перегреве, а также из-за трения и других механических потерь.
Условия, наиболее благоприятные для низких потерь в этих трех категориях, не одинаковы. Для минимизации
потерь в дымовых трубах температура газов на выходе должна быть низкой, но для максимальной
эффективности использования тепла пара требуется очень высокая степень перегрева, которая быстро
возрастает с давлением пара. Таким образом, идеальный паровой цикл требует, чтобы пар был перегрет до
температуры, при которой, если бы он расширялся адиабатически или иным образом, он был бы как раз
насыщен при температуре и давлении сброса в конденсатор. Эффективность двигателя при заданной
мощности в значительной степени зависит от (Цена 1). Использование высоких и очень низких давлений
значительно увеличивает механические потери двигателя и существенно увеличивает требуемый размер
двигателя. Хотя потери в паровом цикле являются наибольшими, и любой компромиссный цикл должен
максимально приближаться к идеальному циклу, другие потери, и особенно потери в дымовых трубах, должны
быть учтены при достижении максимальной общей эффективности.
В практических целях даже при умеренном давлении идеальный цикл невозможен, поскольку требуемый
перегрев при давлении 100 фунтов и более настолько высок, 65 что делает работу практически невозможной
из-за трудностей со смазкой, уплотнением, изоляцией и неспособности металлов выдерживать деформации
при очень высоких температурах 70. Для повышения эффективности парового цикла было предложено
генерировать перегретый пар при умеренном давлении и умеренном перегреве, расширять пар через
двигатель до более низкого 75 давления и повторно нагревать этот пар до температуры, практически равной
температуре исходного перегретого пара, затем снова расширять пар и продолжать циклы повторного
нагрева при необходимости. Этот метод 80 обеспечивает очень заметное повышение эффективности
парового цикла, а также существенно помогает снизить потери в двигателе, которые обусловлены наличием
влаги в паре, поскольку 85 в течение большей части расширения, по крайней мере, можно постоянно работать
с перегретым паром, а при использовании большого количества циклов повторного нагрева практически Пар
на протяжении практически всего 90% расширения может быть перегретым и, следовательно, сухим. При
повторном нагреве до температур, приближающихся к исходным температурам перегретого пара, достигается
заметная экономия, однако потери из-за высоких температур в дымовых трубах не только не уменьшаются, но
могут даже увеличиться из-за необходимости нагрева пара в относительно большом количестве
перегревательных элементов до высокой температуры. Поскольку теплопередача к перегревателям не так
эффективна, как в парогенераторах, это, как правило, приведет к несколько более высокой температуре в
дымовых трубах, если не используются чрезмерно большие поверхности перегрева.
Целью настоящего изобретения является получение и использование пара или других паров при
экономичном давлении с максимальной практической общей эффективностью.
Соответственно, настоящее изобретение направлено на поглощение максимального количества тепла от
источника тепла, использование максимального количества такого тепла в полезных целях и улучшение
качества пара, служащего в качестве носителя, с целью повышения эффективности его использования в
двигателях.
1
.5 Изобретение, помимо прочего, представляет собой новый цикл, включающий усовершенствованную
конструкцию парогенератора, описанную в нашем патенте № 171135. Однако в более широком смысле этот
цикл не ограничивается какими-либо системами генерации пара или перегрева, а также комбинированными
системами генерации и перегрева, и может использоваться для генерации любого пара из соответствующей
жидкости. В дальнейшем более подробном описании изобретатель будет описан в связи с генерацией пара,
для которой он хорошо подходит.
Согласно настоящему изобретению, в двигателе генерируется и расширяется перегретый пар до более
низкого давления, после чего он подвергается одному или нескольким повторным нагревам и последующим
расширениям, при этом, по меньшей мере, часть повторных нагревов осуществляется до более низких
температур, чем исходная температура перегретого пара, и производится с использованием, по меньшей
мере, части теплоносителя.
газы, которые уже использовались для генерации исходного пара и для обеспечения исходного перегрева или
повторного нагрева.
Повторный нагрев, который в предпочтительных вариантах осуществления изобретения осуществляется до
постепенно снижающихся температур, приводит к устойчивому снижению температуры газов с
соответствующим увеличением количества тепла, отводимого от газов. В то же время настоящее изобретение
в значительной степени сохраняет преимущества ранее предложенного метода повторного нагрева
расширенного пара приблизительно до температуры исходного перегрева, и в некоторых модификациях
настоящее изобретение может обеспечить еще более высокую эффективность парового цикла, чем та,
которая достигается при повторном нагреве только до исходной температуры пара. В результате настоящее
изобретение позволяет значительно повысить общую эффективность генерации и использования пара,
снижая потери в паровом цикле, газовом цикле и двигателе. Преимущества настоящего изобретения, хотя и
особенно важны в связи с системами генерации и использования пара, которые включают двигатели для
выработки электроэнергии, не ограничиваются этим применением к таким системам, и некоторые из
преимуществ настоящего изобретения также применимы к системам генерации и использования пара в
которых используются другие устройства, помимо двигателей.
Настоящее изобретение допускает множество модификаций. Таким образом, при расширениях и повторных
нагревах до постепенно снижающихся температур исходное давление, перегрев и степень расширения пара
при каждом расширении могут изменяться и должны изменяться в зависимости от конкретных условий любой
данной установки, чтобы обеспечить максимально желаемую общую экономию используемого топлива.
Повторные нагревания до постепенно снижающихся температур, которые являются одной из главных
особенностей настоящего изобретения, могут также предшествовать одному или нескольким повторным
нагреваниям до приблизительно той же температуры, что и исходный перегрев, и, если это необходимо, в
обычном типе котла с высокой температурой дымовых газов. Один или несколько повторных нагреваний до
исходной температуры перегрева с последующими повторными нагреваниями до постепенно снижающихся
температур часто оказываются очень выгодными. Для снижения температуры газа в дымовой трубе
желательно контактировать большую часть или все дымовые газы с паром, подлежащим повторному нагреву,
в эффективных элементах перегрева, чтобы поглотить максимальное количество газа. 100% тепла. С
помощью эффективных пароперегревателей, использующих элементы перегрева, конструкция которых
аналогична элементам генерации, описанным в нашем предыдущем патенте, упомянутом выше, и в нашей
заявке № 105, серийный номер 28859, поданной 16 ноября 1925 г. (298781), можно снизить температуру газа
до температуры пара, подвергающегося перегреву. В общем, это приведет к перегреву пара примерно на 10%
выше температуры, находящейся посередине между температурой, при которой он выходит из отдельных
ступеней расширения двигателя, и температурой газов, воздействующих на элементы перегрева.
Изобретение никоим образом не ограничивается, конечно, перегревом пара до температуры, которая
находится примерно посередине между температурой газа и температурой расширенного пара, и может быть
выгодно перегревать до более высоких или более низких температур (12°C). Для большинства систем
желательно использовать продукты сгорания после выхода из исходного пароперегревателя для обеспечения
всего тепла для различных циклов перегрева, поскольку эта процедура будет 12 В.
В целом, это приводит к максимальному использованию тепла продуктов сгорания. Однако изобретение
никоим образом не ограничивается использованием тепла продуктов сгорания после прохождения через
исходный перегреватель W 3 ( 269,19,6 69,1,96) в течение всего времени, затраченного на циклы повторного
нагрева. Напротив, в некоторых случаях может быть целесообразно использовать продукты сгорания после
прохождения через исходный перегреватель только для части циклов повторного нагрева, и один или
несколько разгрузочных элементов могут быть размещены в горячей зоне печи, где такой элемент может быть
использован.
Такое расположение может быть желательным в силу условий эксплуатации или особенностей конкретной
установки. Часто такая компоновка может быть предпочтительна в тех случаях, когда тепловое излучение от
горящих продуктов сгорания может повредить конструкцию печи. Нагревательные элементы в горячих зонах
также могут быть выгодны, если выполняется один или несколько подогревов до исходной температуры
перегрева с последующими подогревами до постепенно снижающихся температур. Могут использоваться
различные комбинации расположения нагревателей и конструкций печей, которые в определенных случаях
представляют преимущества.
Количество циклов повторного нагрева до исходных температур перегрева, до пропорционально более низких
температур или до обоих значений может значительно варьироваться и в значительной степени
определяется экономической выгодой от повышения эффективности использования тепла в сравнении с
увеличением стоимости оборудования. Таким образом, следует помнить, что последовательные расширения
приводят к снижению давления пара, и, соответственно, увеличение мощности, развиваемой каждым из
последующих циклов повторного нагрева, постепенно уменьшается, и в конечном итоге достигается точка,
когда дальнейший повторный нагрев пара становится невыгодным. Количество циклов повторного нагрева,
конечно, будет зависеть от различных факторов, таких как исходное давление пара, перегрев, стоимость
установки и стоимость топлива. Наиболее экономичное количество циклов повторного нагрева и наиболее
экономичные температуры повторного нагрева должны определяться для каждой конкретной установки в
зависимости от условий эксплуатации, которые будут иметь место в такой установке. После последнего цикла
расширения пар обычно отводится в конденсатор, а конденсат используется в качестве питательной воды, как
это принято в стандартной практике. Конденсатор, конечно, может быть исключен в некоторых установках с
соответствующим снижением эффективности.
Мы предпочитаем использовать нагревательные элементы 551, имеющие относительно длинные трубки или
каналы и обеспечивающие очень малую среднюю гидравлическую глубину с соответственно высокой
эффективностью теплопередачи. Такие нагревательные элементы напоминают генерирующие элементы,
которые мы описали в связи с нашей заявкой, серийный номер -.
28,859, Заявка подана 16 ноября 1925 г. (298,781), упомянутая выше. Однако изобретение в более широком
смысле никоим образом не ограничивается использованием этих особо эффективных нагревательных
устройств, и одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что оно может быть реализовано в
аппаратах стандартного типа без радикальной перестройки. Таким образом, можно очень значительно
повысить эффективность парогенераторов, которые уже установлены и которые в большинстве случаев
представляют собой значительные капиталовложения. Принципы настоящего изобретения могут быть
применены к таким установкам без существенной реконструкции, и, соответственно, с помощью настоящего
изобретения можно значительно повысить эффективность многих установок, которые в настоящее время
относительно неэффективны, и таким образом потери из-за устаревания оборудования могут быть
значительно сокращены, а экономический срок службы старых установок значительно увеличен. Мы не хотим
вдаваться в подробное теоретическое обсуждение эффективности парогенерации, но следует отметить, что
настоящее изобретение по существу представляет собой цикл или комбинацию Циклы, направленные на
повышение общей эффективности парогенерирующей системы, соединенной с ее двигателем или
двигателями или другим оборудованием для использования пара. В более подробных расчетах частных
случаев, которые будут приведены далее, следует отметить, что таблицы основаны на КПД и потерях на фунт
продуктов сгорания. Это противоречит обычным расчетам в паротехнике, которые основаны на 100 фунтах
пара. Настоящее изобретение идет на шаг дальше в расчетах и рассматривает не только паровой цикл,
который представлял первостепенный интерес для инженеров-паротехников, но и газовый цикл, который в
прошлом относительно мало изучался, в качестве примера можно привести попытки повысить эффективность
парового цикла путем повторного нагрева до исходной температуры перегрева без учета увеличенных потерь
продуктов сгорания в цикле.
При рассмотрении эффективности выработки электроэнергии, помимо эффективности двигателя, следует
помнить, что пар или другой парообразный продукт является лишь средством преобразования тепла в
энергию. При поглощении тепла от продуктов сгорания неизбежно происходит потеря определенного
количества тепла, и это количество определяется скрытой теплотой пара при температуре и давлении, при
которых он отводится в конденсатор или, в неконденсационных установках, в атмосферу.
Это тепло теряется, тогда как все остальное тепло, поглощенное паром для повышения его давления или
перегрева, теоретически, по крайней мере, может быть преобразовано в полезную работу и на практике
подвержено лишь относительно незначительным потерям в виде излучения и других факторов.
Таким образом, становится очевидным, что наибольшая экономия в использовании тепла продуктов сгорания
заключается, во-первых, в отводе максимального количества тепла от этих газов паром или другим
парообразным веществом, а также в использовании минимального количества пара в качестве носителя,
поскольку неизбежные потери скрытой теплоты в конденсаторе прямо пропорциональны весу пара,
используемого для преобразования тепловых единиц продуктов сгорания в энергию. Конечно, существует
максимальное количество тепла, которое может быть поглощено и преобразовано в полезную работу паром
при заданных начальных и конечных условиях давления, которое можно рассчитать из теоретических циклов
и которого можно достичь, используя бесконечно большое количество циклов повторного нагрева. Однако на
практике количество циклов повторного нагрева, которые можно использовать, и температуры перегрева,
которые можно эффективно использовать, ограничены стоимостью необходимого оборудования и
невозможностью работы парогенераторов, двигателей или других устройств при чрезмерно высоких
температурах. В целом, однако, следует отметить, что наиболее эффективные системы, описанные в
следующих таблицах, передают большое количество тепловых единиц преобразуется из газов в
относительно небольшое количество пара.
Настоящее изобретение представляет собой существенное улучшение экономичности производства
электроэнергии в парогенераторах или других парогенераторах с учетом всех трех основных потерь и
достижением компромисса, обеспечивающего максимальную эффективность в пределах практических
рабочих параметров. Принципы настоящего изобретения являются гибкими и применимы практически к
любой паровой установке, хотя конкретные конструктивные детали неизбежно будут различаться в
зависимости от конкретной установки, и поэтому изобретение никоим образом не ограничивается какими-либо
конкретными типами генераторов, пароперегревателей или подогревателей.
Специалистам в данной области будет ясно, что конкретные температуры, до которых повторно нагревается
пар или другие паровые вещества, в значительной степени зависят от характера используемого
оборудования и, в частности, от эффективности подогревателей, которая может быть измерена в единицах
теплового напора, то есть разницы температур между температурой пара на выходе и температурой
нагреваемых газов на выходе. В подогревателях типа Ла Монт с длинными трубами и близким расположением
трубок практически возможно получить нулевой тепловой напор, когда газ и пар движутся параллельно, а в
случае противоточного потока газа и пара тепловой напор может быть меньше нуля, и температура газа
может приближаться к температуре пара на входе.
Изобретение никоим образом не ограничивается использованием конкретных пароперегревателей или
получением конкретных тепловых напоров. В более подробном описании нескольких модификаций, взятых в
сочетании с чертежами, иллюстрирующими паровые диаграммы и два типа генераторов и
пароперегревателей 70, которые могут быть использованы, предполагалось, что эффективные
пароперегреватели используются при перегреве до постепенно снижающихся температур пара, которые для
удобства мы будем называть «дифференциальными перегревами» 7, в отличие от перегревов до практически
исходных температур перегрева, которые для удобства мы будем называть «прямыми перегревами». Из
таблицы и последующих кривых будет очевидно, что нулевой тепловой напор не имеет особого значения ни
на исходном пароперегревателе, ни при любом из прямых перегревов, и в некоторых случаях фактически
можно получить более высокую эффективность 85, когда после прямого перегрева существует значительный
тепловой напор. Дифференцированные перегревы, как будет очевидно, выгодно осуществлять с
пароперегревателями, имеющими практически нулевой тепловой напор 90 или, по крайней мере, очень
низкий тепловой напор. Хотя это не является существенным для изобретения в его более широких аспектах.
Однако в следующей таблице в каждом случае указаны дифференциальные подогревы в связи с нулевым
тепловым напором, чтобы упростить кривые и диаграммы для температур газа и пара. Разумеется, могут
существовать малые тепловые напоры, или тепловые напоры могут быть сделаны меньше нуля за счет
соответствующего расположения и конструкции элементов подогревателя. Расчеты и установки, показанные
на чертежах, являются иллюстрациями изобретения и ни в коем случае не должны рассматриваться как его
ограничения, а также не обязательно как предпочтительные условия или типы аппаратов.
Чертежи аппаратуры носят чисто схематический характер и никоим образом не охватывают очень большое
количество возможных модификаций, которым может подвергаться изобретение. Таким образом, на чертежах
некоторые из подогревателей показаны работающими параллельно по отношению к пару и газу, а другие —
по отдельности.
Очевидно, что подогреватели могут работать параллельно для пара и последовательно для газа или
наоборот, и нет необходимости, чтобы все подогреватели, если используется несколько подогревателей,
были одного типа и имели одинаковую конструкцию. Эти 120 механических особенностей не являются
существенными для более широких аспектов изобретения, которые могут быть реализованы с помощью
любого подходящего оборудования.
Изобретение будет описано более подробно в связи с чертежами, на которых рисунки 1–8 представляют
собой диаграммы зависимости температуры от энтропии, соответствующие столбцам с аналогичными
номерами в таблице; 13 C 269,196 269,196 Рисунок 9 представляет собой схематическое изображение
парогенератора пленочного трубчатого типа Ла-Мон, снабженного перегревателем и двумя подогревателями;
и Рисунок 10 представляет собой обычный водотрубный котел и перегреватель, объединенные с обычным
прямым подогревателем, за которым следуют два дифференциальных подогревателя Ла-Мон.
На чертежах вертикальная шкала соответствует температурам пара и газа, а абсциссы представляют
энтропии. Следует понимать, что температуры газа указаны приблизительно, поскольку удельная
теплоемкость пара и газа не постоянна во всем диапазоне расширений, и были взяты средние значения для
заданных расширений. Это приводит к внесению небольших погрешностей в отношении температур газа,
которые, однако, пренебрежимо малы при расчете КПД.
Аналогичным образом, в дифференциальных кривых повторного нагрева, таких как, например, показанные на
рисунках 4–8, предполагалось, что при нулевом тепловом напоре температура газа будет понижаться на ту же
величину, на которую повышается температура пара. Это достаточно близкое приближение к истине для
целей настоящих диаграмм. Однако следует понимать, что в реальных условиях тепловой напор не будет
идеально постоянным, и незначительные изменения удельной теплоемкости газов и пара могут привести к
тому, что отдельные расширения и повторные нагревы будут отличаться от показанных на чертежах на очень
небольшую величину.
На рисунке 1 показаны кривые пара и газа для однократного расширения пара при давлении 300 фунтов и
перегреве 2000 до вакуума при давлении 45 фунтов. Указанные температуры газа соответствуют генератору и
перегревателю с нулевым тепловым напором. Кривая пара точно такая же, если используются генератор и
перегреватель, которые менее эффективны, но температуры газа будут другими.
На рисунке 2 показана кривая пара для так называемого идеального цикла, то есть расширения пара при
давлении 300 фунтов и достаточном перегреве, так что пар находится в состоянии насыщения при отводе под
давлением 45 фунтов.
На рисунке 3 показана кривая пара для расширения пара при давлении 300 фунтов и перегреве 2000 до
промежуточного давления 70 фунтов, за которым следует повторный нагрев до исходной температуры
перегрева 6180 и расширение до вакуума. Значения температуры газа приведены для генератора с нулевым
тепловым напором; в случае создания положительного теплового напора кривая газа изменится, но кривая
пара, конечно, останется идентичной.
На рисунке 4 представлена кривая расширения пара при давлении 300 фунтов и перегреве 2000 фунтов на
квадратный дюйм в течение пяти расширений и четырех дифференциальных повторных нагревов до вакуума.
На рисунках 5–8 представлены кривые пара для комбинаций одного прямого подогрева с последующим
множеством дифференциальных подогревов. На рисунках 5 и 6 тепловой напор 70 после прямого подогрева
составляет 820, что соответствует температуре газа 7000, на рисунке показаны четыре дифференциальных
расширения, а на рисунке 6 — пять дифференциальных расширений. Аналогичным образом, на рисунках 7 и
8 показаны кривые пара, где тепловой напор после прямого подогревателя составляет 1820, что
соответствует температуре газа 8000, а на рисунке 7 — три расширения с дифференциальными подогревами,
а на рисунке 8 — два расширения с дифференциальным подогревом. Во всех случаях, конечно, подогрев на
один меньше, чем расширение.
На чертежах показано содержание BTTJ в 1 фунте пара на протяжении всего цикла 85. Таким образом,
например, на диаграмме 1, начиная с фунта конденсата при 800 °F и 50 BTUJ, вода нагревается до 4180 °C
вдоль линии А, в которой ее теплотворная способность составляет 392 BTUJ. Затем вода превращается в пар
при постоянной температуре вдоль линии В, причем ее теплотворная способность увеличивается до 1202
BTUJ, а затем перегревается вдоль линии С до 6180 °C, в которой ее теплотворная способность составляет
1319 BTUJ.
В результате пар расширяется до вакуума вдоль линии D. Линия E — это линия насыщенного пара, а линия F
— это линия, вдоль которой падает температура газа. Те же опорные линии используются и на других
диаграммах.
Рассматривая только паровой цикл, становится очевидно, что так называемый идеальный цикл (рис. 1 и 2)
обеспечивает наибольшее количество полезной работы на фунт пара, но температура отходящего газа,
приблизительно 9000 °C, настолько высока, что общая эффективность серьезно снижается. Различные циклы
с повторным подогревом, хотя и не демонстрируют такой высокой эффективности пара, как идеальный цикл,
приближаются к ней довольно близко, как видно из графиков, и в то же время имеют гораздо более низкую
температуру отходящего газа с соответствующей высокой общей эффективностью.
В следующей таблице приведены данные по газопаровому циклу, а также общая эффективность различных
циклов, показанных на чертежах, вместе с двумя дополнительными циклами, соответствующими рисункам 1 и
3, но в которых температура отходящего газа составляет 7000 вместо 6180.
1 i 1 i i 211 Дифференциальное расширение после различных прямых расширений Qne Reheat, температура
газа при первом повторном нагреве.
Разогрейте до исходной температуры, затем проведите только термометр, после чего произведите разный
нагрев.
6180 7000 7000 8000 8000, expanSteam Steam Steam Steam Steam 5 expane sions to 6 expan 4 expan 3
expan618 618 900 618 '618-' sions to same sionsfirst sions to sions to Gas 700 Gas 618 Gas 900 Gas 700 Gas 618
satura pressures S same satura saturation as O 4 as O 5 tion tion.
1 A1 2 3 A 3 4 5 '6 7 8 Начальная температура сгорания 3370 3370 3370 3370 3370 3370 3370 3370 3370 3370
Конечная температура газа 700 618 900 700 618 214 367 234 296 492 Разница 2670 2752 2470 2670 2752 3156
3003 3136 3074 2878 (a) BTU, взятые из 1 фунта.
газ 641 661 593 641 661 757 721 753 738 691 Тепло, отводимое в конденсатор 873 873 1092 964 964 1009 1057
1110 1133 1058 Тепло в воде при вакууме 8 °F 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 9 Тепло, отводимое
конденсатором 823 823 1042 914 914 959 1007 1060 1083 1008 (b) Тепло, приложенное к полезной работе 446
446 708 511 511 502 571 576 562 557 (c) Общее количество тепла выше 800 F.
взято из расчета на газ за фунт.
пар 1269 1269 1750 1425 1425 1461 1576 1636 1645 1565 (d) Коэффициент Теплоотдача от газа 505 521 339
450 464 518 457 460 449 442 Теплоотдача от газа на фунт пара (c) (e) BTU полезная работа на фунт
газ-(d) X (b) 225 232 240 2930 247 260 261 265 252 246 Температура сгорания 3370 3370 3370 3370 3370 3370
3370 3370 3370 3370 Температура воздуха 80 80 80 80 80 80 so 80 80 80 Разница 3290 3290 3290 3290 3290
3290 3290 3290 3290 3290 (f) Тепловая энергия, выделяемая при сгорании на фунт газа 790 790 790 790 790
790 790 790 790 790 3 d(g) КПД 0/ (e)_ 28 5 29 4 30 4 29 1 30 0 32 9 33 1 33 6 31 9 31 2 26 196 '7 В столбце 1 A
приведены данные для прямого расширения без повторного нагрева и с тепловым напором 820 на
пароперегревателе, которые соответствуют текущей коммерческой практике.
В столбце 1 представлены данные, полученные при обнулении напора с помощью генератора высокого
давления La Mont или аналогичного генератора. Столбец 2 показывает прямое расширение в рамках
идеального цикла.
1.0 В столбцах 3 и A приведены данные для однократного подогрева до исходной температуры перегрева,
обеспечивающие тепловой напор 82 в случае столбца 3 A и нулевой тепловой напор в случае столбца 3 A.
Столбцы с 4 по 8 соответствуют дифференциальному подогреву в 1,5 цикла, при этом пар расширяется в
каждом случае от того же исходного давления и температуры, 300 фунтов и 20 (перегрева). Столбец 4
предназначен только для дифференциального подогрева, а столбцы с 5 по 8 — для дифференциального
подогрева после однократного прямого подогрева. Значения температуры газа в градусах на головках
столбцов относятся к температурам газа после прохождения через перегреватель или прямой подогреватель.
В горизонтальном столбце (a) указано количество БТЕ, получаемое из фунта газа, и оно рассчитывается с
использованием одного фунта газа в качестве единицы измерения. Горизонтальные столбцы (b) и (c)
рассчитаны на основе фунта пара, поскольку это единственная единица измерения, которая может быть
применена во всей таблице, в связи с тем, что из одного фунта газа генерируется различное количество пара
при различных тепловых напорах на перегревателях или прямых подогревателях. Поэтому необходимо
перевести значения на фунт пара в значения на фунт газа, что осуществляется с помощью коэффициента
умножения, приведенного в горизонтальном столбце (d).
В таблице наглядно показаны причины эффективности настоящего изобретения.
Горизонтальная колонка (b), измеряющая эффективность парового цикла, демонстрирует большое
преимущество идеального цикла (колонка 2), а также показывает, что с точки зрения пара относительно
важны восемь повторных перегревов, как будет отмечено, что две колонки с прямым повторным перегревом
(колонки 3 и 3A) обеспечивают более высокую эффективность использования пара, чем колонка 4, которая
показывает использование только дифференциальных повторных перегревов. Комбинированные прямые и
дифференциальные повторные перегревы, конечно, показывают еще более высокую эффективность пара,
как видно из колонок с 5 по 8. Таким образом, на основе только парового цикла колонка 2 является наиболее
эффективным циклом, но если рассматривать BTLT на фунт газа, то будет видно, что этот цикл дает самую
низкую эффективность (горизонтальная колонка (a)), а самая высокая эффективность газа показана в колонке
4, в которой используются только дифференциальные повторные перегревы. Несмотря на то, что как
идеальный цикл, так и циклы с прямым повторным перегревом показывают более высокую эффективность
пара, чем цикл, использующий только дифференциальные повторные перегревы, общая эффективность,
принимая во внимание Они учитывают как газ, так и пар, наглядно демонстрируя преимущества
дифференциального подогрева. Они также показывают, что для любых конкретных условий существует
максимально достижимая эффективность. Из горизонтального столбца (g) видно, что, хотя эффективность
постепенно увеличивается до 30 4 для идеального парового цикла, при использовании дифференциального
подогрева происходит очень резкий скачок, достигающий максимума в столбце 6 после одного прямого
подогрева с последующими пятью дифференциальными.
Приведенная таблица призвана проиллюстрировать общие принципы настоящего изобретения и никоим
образом не ограничивает изобретение, а также не обязательно указывает на наилучшие возможные
комбинации.
Для простоты расчетов давление пара 85 было принято одинаковым во всех циклах, и, за исключением
идеального цикла, исходный перегрев также оставался неизменным. В этих условиях наилучшую
эффективность демонстрируют циклы 5 и 6, 90 с использованием генератора умеренной эффективности и
прямого подогревателя, за которыми следуют дифференциальные подогреватели с нулевым тепловым
напором. Однако не следует понимать, что эти же циклы будут наиболее эффективными при 95 различных
давлениях пара и различных исходных перегревах, и не обязательно верно, что дифференциальные
подогреватели с нулевым тепловым напором обязательно обеспечивают наивысшую эффективность. На
общую эффективность влияет множество факторов, и, как ясно показано в таблице, для получения
наилучших результатов необходимо пойти на компромисс, и конкретный компромисс будет в значительной
степени зависеть от условий в каждом конкретном случае, то есть от желаемого давления пара и от исходного
перегрева. Этот аппарат выдержит нагрузку.
Количество повторных нагревов, которое предпочтительно использовать, также зависит от условий, как легко
видно из сравнения рисунков 5 и 6, где увеличение полезной работы и поглощения тепла из газа при
последнем расширении не так велико, как при предыдущих расширениях, в то время как стоимость
дополнительного оборудования для каждого дополнительного расширения существенно не снижается и
может даже увеличиться. Поэтому не следует предполагать, что даже при условиях давления и перегрева,
рассмотренных в таблице циклов, цикл 6 обязательно является наиболее эффективным для практического
использования. Вполне возможно, что незначительный выигрыш по сравнению с циклом 5 за счет
использования дополнительного повторного нагрева и дополнительной стадии расширения может увеличить
стоимость оборудования больше, чем сэкономить на топливе. Поэтому принципы настоящего изобретения
следует применять в любом случае.
8 269,196 В каждом конкретном случае, с должным учетом экономических факторов ситуации, может быть
целесообразно пожертвовать частью эксплуатационной эффективности, достигаемой за счет более полного и
всестороннего использования принципов настоящего изобретения, ради снижения затрат на установку.
Таким образом, количество используемых дифференциальных подогревов и расширений, а также
эффективность дифференциальных подогревателей могут изменяться по конструктивным, экономическим
или любым другим соображениям без ущерба для принципов настоящего изобретения.
Как уже указывалось выше, изобретение может быть применено к очень большому числу различных типов
парогенераторов и пароперегревателей. Будут описаны только две типичные установки, которые
проиллюстрированы на чертежах.
На рисунке 9 парогенератор состоит из корпуса котла 1, снабженного комплектами пленочных трубок 2, 3, 4 и
5. Трубки 2 и 3 соединены с общим нижним коллектором 6 в форме буквы «V», а верхние концы трубок
соединены с V-образным коллектором 7, снабженным стенками, разделяющими его на отсеки 8, 9 и 10,
причем трубки 2 установлены в отсеке 8, трубки 3 — в отсеке 9, а трубки 4 — в отсеке 10. Нижние концы
трубок 4 установлены в коллекторах 11. Аналогичным образом трубки 5 установлены в нижнем коллекторе 12
и верхнем коллекторе 13. Коллектор 6 соединен через клапан 14 с циркуляционным насосом 15, который, в
свою очередь, подает воду через трубы 16 и клапан 17 в отсек 8 верхнего коллектора 7.
4 Отсеки 9 верхнего коллектора 7 сообщаются с коллекторной трубой 18, от которой паропровод 19
соединяется с турбиной высокого давления 20 через дроссельный клапан 21. Выхлопная труба 22 турбины
высокого давления zU соединяется с коллекторной трубой 23, сообщающейся с отсеками 10 верхнего
коллектора 7.
Нижние коллекторы 11 сообщаются через паропровод 24 и дроссель 25 с промежуточной турбиной высокого
давления 26, которая, в свою очередь, соединяется с коллектором 12 через выхлопную трубу 27 и клапан 26.
Коллектор 13 соединяется через паропровод 29 с турбиной низкого давления 30, которая отводит пар в
конденсатор 31.
Конденсаторный насос 32 откачивает конденсат через трубу 33 и подает его на вход циркуляционного насоса
через трубу 34. Соединительная труба 35 с клапаном соединяет турбину 20 и 26, а соединение 36,
снабженное клапаном 37, соединяет турбину 26 с конденсатором.
В процессе работы циркуляционный насос 15 подает воду в отсек 8 коллектора 7, где она через форсунки
подается в трубки 2, как описано в патенте № 1 545 668, образуя тонкую пленку на внутренней поверхности
трубок и оставляя полое центральное пространство, которое заполняется паром. Смесь пара и воды подается
в нижний коллектор 6, где вода течет к циркуляционному насосу, а пар поднимается в коллекторе и через
трубки 3, где он перегревается. Перегретый пар проходит из отсека коллектора 9 через коллекторную трубу 18
и паропровод 19 к турбине высокого давления 20. Выхлопные газы этой турбины проходят через выхлопную
трубу 22 и коллекторную трубу 23 в отсеки коллектора 10, а затем вниз по трубкам 4, где они перегреваются
до промежуточной температуры, поскольку эти трубки не находятся в самой горячей точке. Зона продуктов
сгорания. Перегретый пар проходит из коллекторов 11 через трубу 24 в турбину промежуточного давления 26,
из которой он отводится через трубу 27 в коллектор 12 и поднимается через трубки 5, где он перегревается до
более низкой температуры, чем в трубках 4. Затем перегретый пар проходит из коллектора 13 через трубу 29
в турбину низкого давления 30.
Турбины высокого и среднего давления могут быть соединены вместе, и часть отработанного пара высокого
давления может проходить через турбину среднего давления, например, при запуске машины.
Это происходит через клапан 35. Если требуется один цикл повторного нагрева, турбину низкого давления 30
можно полностью отключить, закрыв клапан 28 и открыв клапан 37, в результате чего отработанный газ
турбины среднего давления 26 будет поступать непосредственно в конденсатор 31.
Большое количество повторных нагревов может быть обеспечено путем соответствующего добавления
нагревательных элементов к генератору, что будет понятно специалистам в данной области. Различные
комплекты труб также могут быть выполнены в отдельных конструкциях, если требования к пространству
делают такую конструкцию желательной.
На рисунке 9 подогреватель 4 разделен на две части, расположенные примерно в одинаковых зонах
температуры газа, и пар циркулирует через этот подогреватель под углом 120 градусов параллельно и против
потока газа.
Однако во втором подогревателе пар циркулирует параллельно потоку газа, и используется только один
паровой канал. Очевидно, конечно, направление движения пара может быть выбрано любым желаемым
способом, и противоточный или параллельный поток может использоваться на любом конкретном этапе, или
оба варианта могут использоваться в одном подогревателе, если такая конструкция необходима. Конечно,
возможны и другие комбинации параллельного и последовательного размещения. Подогреватели,
показанные на рисунке 9, расположены в относительно холодных газовых зонах. Это никоим образом не
является существенным для изобретения, хотя это выгодное размещение при использовании в сочетании с
генераторами Ла-Монта типа, показанного на рисунке 1. В некоторых случаях, особенно когда требуется
прямой подогрев, может быть желательно разместить часть или весь один или несколько подогревателей в
относительно горячих газовых зонах. Таким образом, изобретение никоим образом не ограничивается
использованием в качестве единственной среды для подогрева газов, которые уже были частично охлаждены
путем теплопередачи к трубам парогенератора или парогенератора. Напротив, изобретение включает любую
комбинацию, в которой часть или весь повторный нагрев на одной или нескольких стадиях осуществляется
газами, которые уже были охлаждены, и приводит к дальнейшему отводу тепла от этих газов с
соответствующим повышением эффективности. Конечно, полностью избежать использования частично
охлажденных газов в качестве среды для повторного нагрева и при этом получить преимущество
дифференциального повторного нагрева невозможно, но доля среды для повторного нагрева, состоящая из
частично охлажденных газов, может варьироваться и, как правило, будет определяться конкретными
условиями отдельных установок и желаемыми результатами. Именно эта гибкость применения принципов
настоящего изобретения делает его столь широким и универсальным в эффективном производстве и
использовании пара и других паров.
На рисунке 10 показана комбинация прямого подогрева с последующим дифференциальным подогревом, в
которой тепловые газы с колосниковой решетки 38 проходят над водотрубками 39 в направлении стрелок,
генерируя пар, который проходит через передний коллектор 40 и паропровод 41 к паровому барабану 42,
откуда вода циркулирует к трубкам через задний коллектор 43. При прохождении через проходы котла
продукты сгорания также сталкиваются с перегревательными трубками 44 обычной конструкции, и после
выхода из третьего прохода частично охлажденные газы контактируют с трубками подогревателя 45,
соединяющими паровые барабаны подогревателя 46 и 47. Газы после прохождения через последнюю из
трубок прямого подогревателя могут иметь тепловой напор от 82 до 1820 и затем последовательно проходят
через два дифференциальных подогревателя типа Ла Мон, которые показаны как состоящие из коллекторов
48 и 49, соединенных трубками 50 и коллекторами 51. и 52 соединены трубками 53. Эти дифференциальные
подогреватели предпочтительно обеспечивают нулевой тепловой напор, но могут работать как с
положительным, так и с фактически отрицательным тепловым напором в отношении отходящего газа.
Пар, образующийся в котле и собираемый в барабане 42, проходит через трубу 54, через трубки
пароперегревателя 70-44 и далее в турбину высокого давления 5-5, при этом поток регулируется
регулирующим клапаном J-56. После расширения в турбине высокого давления 55 до промежуточного
давления, которое, например, может составлять приблизительно 75 фунтов, как в циклах, показанных в
таблице, пар отводится через трубу 57 и проходит через трубки подогревателя 45. В этих трубках
подогревателя пар перегревается до 80% от первоначальной температуры перегрева, которая может,
например, составлять около 61-80% в случае цикла, показанного в столбцах 6 таблицы. Перегретый пар,
собранный в верхнем барабане подогревателя 85 47, затем проходит через трубу 58 в турбину
промежуточного давления 59 и далее через трубу 60 в верхний коллектор 48 первого дифференциального
подогревателя Ла-Мон, откуда он проходит через трубки. 90 и нагревается до температуры, которая может,
например, быть приблизительно посередине между температурой пара на входе и температурой газов,
воздействующих на подогреватель. Подогретый пар, qr, который, однако, имеет более низкую температуру,
чем исходный перегретый пар или пар в барабане 47 прямого подогревателя, проходит через трубу 61 во
вторую турбину промежуточного давления 62, а оттуда через трубу 63 в коллектор 51 второго
дифференциального подогревателя, где он подогревается до еще более низкой температуры и выходит через
трубу 64 в турбину низкого давления 65, где он, наконец, расширяется и отводится под вакуумом в
конденсатор 66, при этом конденсат предпочтительно возвращается в циркуляционную систему через трубы
67 и 68 с помощью насоса 69. Один прямой подогрев в обычном подогревателе показан в сравнении с двумя
дифференциальными подогревами в подогревателях типа Ла Мон или других эффективных длиннотрубных
подогревателях малого диаметра, которые способны обеспечивать нулевой тепловой напор. Общая
циркуляция через первый подогреватель может рассматриваться как параллельная потоку газа, поскольку
самый холодный пар из барабана 46 сталкивается с самыми горячими газами, тогда как самые холодные газы
ударяются о последние участки трубок подогревателя перед тем, как подогретый пар попадет в барабан 47.
Напротив, циркуляция в пароперегревателях Ла Монт направлена против потока газа. Как было отмечено в
связи с обсуждением рисунка 9, эти варианты размещения являются лишь иллюстративными и не
ограничивают изобретение. Напротив, в любом или во всех подогревателях, будь то прямоточные или
дифференциальные, может использоваться либо противоточный, либо параллельный поток, либо
комбинация обоих. Количество дифференциальных подогревателей может быть любым, с учетом стоимости
установки. Также возможно и в некоторых случаях может быть выгодно использовать более одного
Соседние файлы в папке патенты