CZ11151U1 - Vícestupňová rotační expansní pohonná jednotka - Google Patents

Description

Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka

Oblast techniky

Technické řešení se týká vícestupňové rotační expanzní pohonné jednotky, u které lze jako energetického média využívat stlačeného vzduchu případně s přídavným ohříváním, přehřáté páry ajiných podobných energetických médií a kterou je možno využívat v řadě průmyslových aplikací, jako jsou například vzduchové pohony, parní pohony standardní i s využitím sluneční energie či energie geotermické, a v neposlední řadě i v oblasti chladírenských technologií.

Dosavadní stav technikv

V současnosti je známa řada provedeni expanzních pohonných jednotek využívajících jako energetického média stlačený vzduch, ohřátý vzduch a nebo páru a to jak v provedení pístovém, tak i v provedení rotačním.

U pístových provedení expanzních hnacích strojů se ukazují nevýhody spočívající v omezené možnosti dosažení vyššího počtu otáček, neboť koncepce těchto strojů využívajících vratný pohyb pístů dosažení vyššího počtu otáček omezuje zejména vlivem setrvačných hmot pístů spolu s přerušovaným tokem energetického média.

Použití rotačních strojů pro expanzní pohonné jednotky se jeví jako vhodnější především z důvodů nepřerušovaného toku energetického média, avšak dosavadní známé konstrukce těchto strojů vykazují především značné třecí ztráty v místech styku konců lopatek či křídel svých rotačních částí s radiální orbitální částí statoru včetně jejich axiálních styčných míst. Na základě těchto technických problémů jsou obvykle tyto stroje konstruovány ve značných axiálních délkách rotačních částí a o relativně malém průměru s cílem zabránění jednak rychlému úniku tlakového gradientu vpravovaného energetického média a zároveň s ohledem na minimalizaci odstředivých sil lopatek nebo křídel působících na orbitálu statoru snížením jejich hmotnosti.

Dále jsou známy rotační stroje konstruované pro uvedené účely, které jsou schopny předcházející omezující parametry odstranit, avšak jejich kinematické možnosti týkající se přenosu točivého momentu z lopatek nebo křídel na výstupní hnací hřídel jsou omezené nejčastěji vlivem oscilujícího otáčivého pohybu této hnací hřídele, dále vlivem klopného momentu vyskytujícího se u některých provedení ajejich nepříznivých průvodních jevů, které jsou pro tyto známé konstrukce strojů typické a obtížně odstranitelné. Příklad známého provedení nesoucí shora uvedené nedostatky je popsán vEP 0 102 555 R.C.S. Rotaiy Compression systems S.A.

Účelem technického řešení u je vytvořit takový expanzní hnací stroj, který by shora uvedené nedostatky dostatečně eliminoval a současně by umožňoval pomocí svých konstrukčních vlastností uplatnění v energetických oblastech, které jsou doposud technicky obtížně zvladatelné, a který by byl schopen dosažení úplné expanze stlačeného vzduchu nebo jiného energetického média a tím i využití jeho celkového potenciálu ke konverzi na mechanickou práci.

Podstata technického řešení

Shora uvedené nedostatky ve velké míře odstraňuje a účel technického řešení splňuje vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka, sestávající zvíce za sebou řazených expanzních stupňů, jejichž vstupy a výstupy jsou propojeny spojovacími kanály a kde jednotlivé expanzní stupně jsou tvořeny objemově pracujícími rotačními stroji s oběžnými křídly, přičemž rotační stroje jsou integrovány do společných skříní a/nebo do samostatných statorových skříní, ve kterých jsou vytvořeny válcové pracovní prostory obsahující rotační pracovní část sestávající ze dvou na sobě nezávislých rotačních systémů, znichž každý je otočný kolem své pevné osy ajejichž pohyb je vytvářen excentricky uloženým unášečem, na který je napojena výstupní hřídel, a druhý rotační

-1 CZ 11151 Ul systém je tvořen radiálně uspořádanými oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli rovnoběžné sosou válcového pracovního prostoru a přičemž každou dvojicí sousedních oběžných křídel je při otáčení vytvářena objemově se měnící pracovní komora podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že každá výstupní hřídel rotační části každého expanzního stupně postupně počínaje od prvního expanzního stupně je spřažena pomocí převodu vždy s rostoucím převodovým poměrem, přičemž ke vstupu prvního expanzního stupně je připojen hlavní přívod energetického média napojený na zdroj energetického média a jednotlivé spojovací kanály propojující jednotlivé expanzní stupně jsou opatřeny ohřívači energetického média a/nebo je na hlavní přívod energetického média napojen zdroj přehřáté páry s dostatečným tepelným obsahem a s uzavřeným pracovním oběhem vody, přičemž tok energetického média je jednosměrný a kontinuální ve směru od vstupu do prvního expanzního stupně k výstupu posledního expanzního stupně. Hlavní přívod energetického média a alespoň některý ze spojovacích kanálů je alternativně opatřen vnějším společným ohřívačem energetického média anebo jsou ohřívače energetického média napojeny na elektrický rozvod autonomního zdroje elektrické energie tvořeného generátorem elektrického proudu napojeným na výstupní hřídel kteréhokoliv z expanzních stupňů.

Výhody vícestupňové rotační expanzní pohonné jednotky podle technického řešení spočívají především v tom, že takto provedený pohonný stroj pracuje jako jednosměrně průtočný stroj s odděleným přívodem a odvodem energetického média, přičemž tok energetického média není přerušován žádnými uzavíracími nebo regulačními orgány. Tato skutečnost dovoluje řazení libovolného počtu jednotlivých expanzních stupňů za sebou ve formě modulárního konceptu splynule na sebe navazujícím společným pracovním prostorem, který se kontinuálně zvětšuje nebo zmenšuje, čímž je umožněno dosažení kompresního ěi expanzního poměru energetického média v libovolném stupni při zachování optimálních rozměrů a pracovních parametrů jednotlivých expanzních stupňů v příslušné modulární sestavě, k čemuž značnou mírou přispívají široké možnosti nastavení vhodných převodových poměrů mezi jednotlivými expanzními stupni, které jsou technicky snadno proveditelné.

Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka podle technického řešení též umožňuje využití nízkoenergetického tepla v případech instalace velkoplošných teplosměnných ploch pro ohřev energetického média vpravovaného do pohonné jednotky. Toto využití nízkoenergetického tepla je podmíněno využitím konstrukce rotačních strojů, vykazujících vysokou hltnost a rychlou cirkulaci energetického média ve spojení s úplnou jeho expanzí. To vše je ve své základní podstatě umožněno velmi nízkým součinitelem tření, které základní rotační stroj aplikovaný v jednotlivých expanzních stupních pohonné jednotky vykazuje, což je předpoklad pro dosažení vyšší účinnosti celého zařízení.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou pro objasnění technického řešení znázorněny základní konstrukční prvky vícestupňové rotační expanzní pohonné jednotky ajejich aplikací, kde obr. 1 představuje soustavu za sebou řazených expanzních stupňů 1, 1.1 ... l.n napojenou na zdroj 4 energetického média tvořeného tlakovým vzduchem, obr. 2 představuje soustavu expanzní pohonné jednotky, kde je využito jako zdroje 4 energetického média tlakového vzduchu a nebo jiného plynného média ohřívaného vnějším společným ohřívačem 7 energetického média a na obr. 3 je znázorněno provedení technického řešení, kde je jako zdroje energetického média využit zdroj 6 přehřáté páry s vysokým obsahem tepla. Na obr. 4 je znázorněna průmyslová aplikace technického řešení do odpadního systému ve funkci chladicí jednotky odpadového nízkoenergetického tepla produkovaného tepelnou elektrárnou nebo jiným podobným provozem.

-2CZ 11151 Ul

Příklad provedení technického řešení

Obr. 1 představuje soustavu za sebou řazených expanzních stupňů 1. 1.1 ... l.n integrovaných do společné skříně 13 v podobě modulárního konceptu, které jsou vzájemně propojeny spojovacími kanály 2, 2.1 ... 2.n. v nichž jsou umístěny ohřívače 5, 5.1 ... 5.n energetického média s výhodou tvořené topnými elektrickými tělísky napojenými na elektrický rozvod 9 autonomního zdroje elektrické energie tvořeného transformátorem 10 a generátorem 8 elektrického proudu napojeným na výstupní hřídel v tomto konkrétním případě posledního expanzního stupně l.n. Na vstup prvního expanzního stupně 4 je připojen hlavní přívod 3 energetického média napojený na zdroj 4 energetického média, které je v tomto případě tvořeno tlakovým vzduchem.

Na obr. 2 je znázorněno provedení modulárního konceptu za sebou řazených expanzních stupňů 1, 1.1 ... l.n. se zdrojem 4 energetického média tvořeného tlakovým vzduchem nebo jiným plynným médiem, kde hlavní přívod 3 energetického média a alespoň některý ze spojovacích kanálů 2, 2.1 ... 2.n je vyveden vně společné skříně 13 aje opatřen vnějším společným ohřívačem 7 energetického média, jehož tepelný zdroj je příkladně tvořen soustavou 11 hořáků.

Z obr. 3 je patrno modulární provedení vícestupňové rotační expanzní pohonné jednotky s integrovanými expanzními stupni 1, 1.1 ... l.n ve společné skříni 13 a propojenými spojovacími kanály 2, 2.1 ... 2.n, u něhož je hlavní přívod 3 energetického média napojen na zdroj 6 přehřáté páry s vysokým tepelným obsahem a uzavřeným oběhem vody s kondenzační nádrží 15. U tohoto provedení je tepelný obsah přehřáté páry dostačující ktomu, že není nutné další ohřívání jednotlivých spojovacích kanálů 2. 2.1 ... 2.n a ochlazená a zkondenzovaná voda je vracena zpětným okruhem 14 vody zpět do zdroje 6 přehřáté páry.

Obr. 4 představuje uplatnění vícestupňových rotačních expanzních pohonných jednotek podle technického řešení integrovaných do odpadního systému tepelné elektrárny nebo jiných podobných provozů ve funkci chladicí jednotky odpadového nízkoenergetického tepla, které se zejména v odpadové vodě těchto provozů nachází aje zpravidla vypouštěno do vodních toků. Konkrétní příkladné provedení sestává ze dvou zrcadlově uspořádaných modulárních soustav vícestupňových rotačních expanzních pohonných jednotek A, Á, mezi nimiž jsou umístěny vnější společné ohřívače 7, 7' energetického média, zastávající současně funkci chladičů odpadní vody, přičemž hlavními přívody 3, 3' energetického média je přiváděn v tomto konkrétním případě tlakový vzduch ze zdrojů 4, 4' energetického média, které jsou tvořeny vícestupňovými rotačními kompresory 16, 16' a tlakovzdušnými akumulátory 17, 17'. Nízkoenergetické teplo obsažené v odpadní vodě průmyslového provozu je přiváděno do jednotlivých vnějších společných ohřívačů 7, 7' energetického média odpadními přívody 12,12'.

Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka podle technického řešení pracuje jako jednosměrně průtočný pohonný stroj s odděleným přívodem a odvodem energetického média, který není přerušován žádnými uzavíracími nebo regulačními orgány. Tato skutečnost dovoluje řazení libovolného počtu expanzních stupňů 1, 1.1 ... l.n za sebou ve formě modulární sestavy, kde jsou jednotlivé expanzní stupně vzájemně propojeny spojovacími kanály 2, 2.1 ... 2.n a vzájemně zpřevodovány vhodným převodovým poměrem na svých výstupních hřídelích. Při expanzi energetického média je energetické médium přiváděno hlavním přívodem 3 energetického média do prvního expanzního stupně I. Dokud je plněná pracovní komora prvního expanzního stupně I otevřena, působí tlak energetického média přímo na pracovní plochu oběžného křídla rotačního stroje a předává jí energii energetického média, přičemž vzniká točivý moment ve smyslu otáčení rotační části. Po uzavření pracovní komory dochází k expanzi energetického média v této komoře s tím výsledkem, že až do otevření výstupního kanálu je dále vytvářen točivý moment a každé oběžné křídlo odděluje pracovní prostor sousedních dvou pracovních komor. Výsledná síla působící na křídlo je výslednicí rozdílných tlaků vyskytujících se ve dvou sousedních pracovních komorách v expanzním stupni a působí vždy ve směru tlaku nižšího. Tlaková diference energetického média ve dvou sousedních pracovních komorách určuje taktéž tlakový únikový gradient energetického média v pracovní komoře s vyšším tlakovým potenciálem orientovaný ve směru vektoru do pracovní komory sousední s nižším tlakovým

-3CZ 11151 Ul potenciálem. V jednom jediném expanzním stupni vzniká tedy maximální tlakový únikový gradient mezi plněnou pracovní komorou a vnějším tlakem v okolí výstupního kanálu, kde je stupňovitě redukován podle počtu pracovních komor nacházejících se mezi maximálním tlakem energetického média v ohřívací zóně a mezi konečným expanzním tlakem celého systému. V případě, že je expanzní pohonná jednotka složena z více expanzních stupňů s kontinuálně propojenými pracovními prostory, pak je celý gradient určený rozdílem maximálního tlaku v ohřívací zóně a výstupním tlakem energetického média na výstupu posledního expanzního stupně, a lze takto redukovaný unikající tlak utěsnit například bezdotykovým labyrintovým těsněním nebo těsněním podobných vlastností. Za těchto podmínek pak dochází k podstatnému snížení nároků na těsnící účinky v systému a otevírá se možnost realizace libovolného počtu expanzních stupňů s předpokladem využití potenciálu energetického média až do úplné expanze.

Claims (4)

1. Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka, sestávající zvíce za sebou řazených expanzních stupňů (1,1.1 ... l.n), jejichž vstupy a výstupy jsou propojeny spojovacími kanály (2, 2.1 ... 2.n) a kde jednotlivé expanzní stupně (1, 1.1 ... l.n) jsou tvořeny objemově pracujícími rotačními stroji s oběžnými křídly, přičemž rotační stroje jsou integrovány do společných skříní a/nebo do samostatných statorových skříní, ve kterých jsou vytvořeny válcové pracovní prostory obsahující rotační pracovní část sestávající ze dvou na sobě nezávislých rotačních systémů, z nichž každý je otočný kolem své pevné osy a jejichž pohyb je vytvářen excentricky uloženým unášeěem, na který je napojena výstupní hřídel, a druhý rotační systém je tvořen radiálně uspořádanými oběžnými křídly volně uloženými na centrální hřídeli rovnoběžné s osou válcového pracovního prostoru a přičemž každou dvojicí sousedních oběžných křídel je při otáčení vytvářena objemově se měnící pracovní komora, vyznačující se tím, že každá výstupní hřídel rotační části každého expanzního stupně (1, 1.1 ... l.n) postupně počínaje od prvního expanzního stupně (1) je spřažena pomocí převodu vždy s rostoucím převodovým poměrem, přičemž ke vstupu prvního expanzního stupně (1) je připojen hlavní přívod (3) energetického média napojený na zdroj (4) energetického média a jednotlivé spojovací kanály (2, 2.1 ... 2.n) propojující jednotlivé expanzní stupně (1, 1.1 ... l.n) jsou opatřeny ohřívači (5, 5.1 ... 5.n) energetického média a/nebo je na hlavní přívod (3) energetického média napojen zdroj (6) přehřáté páry s dostatečným tepelným obsahem a s uzavřeným pracovním oběhem vody, přičemž tok energetického média je jednosměrný a kontinuální ve směru od vstupu do prvního expanzního stupně (1) k výstupu posledního expanzního stupně (l.n).

2. Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavní přívod (3) energetického média a alespoň některý ze spojovacích kanálů (2, 2.1 ... 2.n) je opatřen vnějším společným ohřívačem (7) energetického média.

3. Vícestupňová rotační expanzní pohonná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že ohřívače (5, 5.1 ... 5.n) energetického média jsou napojeny na elektrický rozvod (9) autonomního zdroje elektrické energie tvořeného generátorem (8) elektrického proudu napojeným na výstupní hřídel kteréhokoliv z expanzních stupňů (1, 1.1 ... l.n).

4 výkresy