RU2537974C2

RU2537974C2 - Capillary electrostatic generating condenser

Info

Publication number: RU2537974C2
Application number: RU2013109924/07A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2013109924A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to power-plant engineering, heat exchange equipment and can be used for condensation of exhaust steam without coolant with conversion of a part of thermal energy into electrical. The electrostatic generating condenser contains the housing with top and bottom covers. The fitting pipes of exhaust steam inlet, condensate outlet, air fitting pipe are made from dielectric material. Between the top and bottom covers vertical rectangular partitions are placed, forming steam chambers and condensate collecting chambers. Each vertical partition consists of several vertical perforated plates placed with a gap and fabricated from hydrophilic dielectric material. The holes in plates are made as horizontal conic capillaries arranged so that the large holes of conic capillaries of the previous vertical plate are facing towards the steam chamber, and small ones - towards the condensate collecting chamber. The external surface of each named plate of all vertical partitions is coated with a layer of perforated conducting material connected from below with like electrodes, connected, in turn, with wires of like collectors and terminals. A working body of electricity obtaining process is a vapour-liquid mix.

EFFECT: improvement of efficiency.

4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента с трансформацией части тепловой энергии в электрическую.The present invention relates to power engineering and can be used for condensation of exhaust steam without the use of a refrigerant with the transformation of part of the thermal energy into electrical energy.

Известен теплотрубный электростатический генератор, который содержит корпус, выполненный из диэлектрического материала, помещенного внутрь обечайки коаксиально кожуху, перегородку, выполненную из диэлектрического материала, делящую полость между кожухом и обечайкой на два отсека, заполненных фитилями, выполненными из разных по своим электрохимическим характеристикам пористых материалов, позволяющих получать положительные или отрицательные заряды в рабочем теле и примыкающих к коллекторам положительных и отрицательных зарядов и снабженных наружными клеммами, причем в качестве рабочего тела используется диэлектрическая жидкость [Патент РФ №2327055, М.кл. F02N 3/00, 2008].A heatpipe electrostatic generator is known, which contains a housing made of dielectric material placed inside the shell coaxially to the casing, a partition made of dielectric material, dividing the cavity between the casing and the shell into two compartments filled with wicks made of porous materials different in their electrochemical characteristics, allowing to receive positive or negative charges in the working fluid and adjacent to the collectors of positive and negative charges and with with external terminals, whereby dielectric fluid is used as a working fluid [RF Patent No. 2327055, M.cl. F02N 3/00, 2008].

Основным недостатком известного устройства является малая мощность генератора, обусловленная незначительной теплообменной поверхностью отдельной тепловой трубы и вытекающими отсюда низким количеством утилизируемого тепла и расходом рабочей жидкости, что снижает его эффективность.The main disadvantage of the known device is the low power of the generator, due to the insignificant heat exchange surface of a separate heat pipe and the resulting low amount of heat utilized and the flow rate of the working fluid, which reduces its efficiency.

Более близким к предлагаемому изобретению является капиллярный конденсатор, включающий корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата (рабочего тела), воздушным патрубком, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, образующие паровые камеры и камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, обращенных большими отверстиями в сторону паровой камеры, а малыми отверстиями - в сторону камеры сбора конденсата [Патент РФ №2390688, М.кл. F22B 37/26, B01D 5/00, 2010].Closer to the present invention is a capillary condenser comprising a housing with upper and lower covers, equipped with exhaust steam inlet and condensate outlet (working fluid) pipes, an air pipe, inside which vertical rectangular partitions are placed between the upper and lower covers, forming steam chambers and chambers condensate collection, and each vertical partition consists of several vertical perforated plates placed with a gap between each other, covered with a layer of hydrophilic material or made from it, the openings in which are made in the form of horizontal conical capillaries facing with large openings in the direction of the steam chamber, and small openings in the direction of the condensate collecting chamber [RF Patent No. 2390688, M.cl. F22B 37/26, B01D 5/00, 2010].

Основным недостатком известного устройства является невозможность использования теплоты конденсации отработанного пара для попутного получения электрической энергии, что снижает его эффективность.The main disadvantage of the known device is the inability to use the heat of condensation of the exhaust steam for the associated production of electrical energy, which reduces its effectiveness.

Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора.The technical result, the solution of which the invention is directed, is to increase the efficiency of a capillary electrostatic capacitor-electric generator.

Технический результат достигается капиллярным электростатическим конденсатором-электрогенератором, содержащим корпус с верхней и нижней крышками, снабженный патрубками входа отработанного пара, выхода конденсата, воздушным патрубком, выполненными из диэлектрического материала, внутри которого между верхней и нижней крышками размещены вертикальные прямоугольные перегородки, соединенные между собой через одну попарно снизу горизонтальными полосами-днищами, образуя паровые камеры, а сверху соединенные между собой в шахматном порядке через одну попарно горизонтальными полосами-крышками, образуя камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, изготовленных из гидрофильного диэлектрического материала, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей вертикальной пластины располагаются против больших отверстий конических капилляров последующей вертикальной пластины, при этом в полость каждой паровой камеры вертикальные пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры сбора конденсата, наоборот, вертикальные пластины вертикальных перегородок обращены малыми отверстиями конических капилляров, причем наружная поверхность каждой наружной вертикальной перфорированной пластины всех вертикальных перегородок покрыта слоем перфорированного электропроводящего материала, соединенного снизу с одноименными электродами, соединенными, в свою очередь, с проводами одноименных коллекторов и клеммами, при этом рабочим телом процесса получения электричества является парожидкостная смесь.The technical result is achieved by a capillary electrostatic capacitor-electric generator, comprising a housing with upper and lower covers, equipped with exhaust steam inlet, condensate outlet pipes, an air pipe made of dielectric material, inside which vertical rectangular partitions are placed between the upper and lower covers, interconnected through one pairwise from below with horizontal stripes-bottoms, forming steam chambers, and from above connected together in a checkerboard pattern e through one pair of horizontal strips-covers, forming condensate collection chambers, each vertical partition consisting of several vertical perforated plates placed with a gap between each other, made of hydrophilic dielectric material, the holes in which are made in the form of horizontal conical capillaries arranged in such a way that the small holes of the conical capillaries of the previous vertical plate are located against the large holes of the conical capillaries subsequently a vertical plate, while in the cavity of each steam chamber the vertical plates of the vertical partitions are facing with large openings of the conical capillaries, and in the cavity of each condensate collection chamber, on the contrary, the vertical plates of the vertical partitions are facing with the small holes of conical capillaries, and the outer surface of each outer vertical perforated plate of all vertical partitions is covered with a layer of perforated electrically conductive material connected to the bottom with the same name odes connected, in turn, with the wires of like collectors and terminals, wherein the working medium is the electricity production process vapor-liquid mixture.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора, на фиг.2-4 - разрез и основные узлы.Figure 1 presents a General view of the proposed capillary electrostatic capacitor-generator, figure 2-4 is a section and the main nodes.

Капиллярный электростатический конденсатор-электрогенератор (КЭСКЭГ) содержит корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, снабженный патрубками входа отработанного пара 4 и выхода конденсата 5, воздушным патрубком 6, выполненными из диэлектрического материала, внутри которого между верхней и нижней крышками 2 и 3 размещены вертикальные прямоугольные перегородки 7, соединенные между собой через одну попарно снизу горизонтальными полосами-днищами 8, образуя паровые камеры 9, а сверху соединенные между собой в шахматном порядке через одну попарно горизонтальными полосами-крышками 10, образуя камеры сбора конденсата 11, причем каждая вертикальная перегородка 7 состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин 12, размещенных с зазором 13 между собой, изготовленных из гидрофильного диэлектрического материала (например, стеклопластика), отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров 14, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров 14 предыдущей пластины 12 располагаются против больших отверстий конических капилляров 14 последующей пластины 12, при этом в полость каждой паровой камеры 9 пластины 12 вертикальных перегородок 7 обращены большими отверстиями конических капилляров 14, а в полость каждой камеры сбора конденсата 11, наоборот, пластины 12 вертикальных перегородок 7 обращены малыми отверстиями конических капилляров 14, причем наружная поверхность каждой наружной вертикальной перфорированной пластины 12 всех вертикальных перегородок 7 покрыта слоем перфорированного электропроводящего материала 15 (например, алюминиевой фольги), соединенного снизу с одноименными электродами 16 и 17, соединенными, в свою очередь, с проводами одноименных коллекторов 18, 19 и клеммами 20 и 21, соответственно.Capillary electrostatic capacitor-generator (KESKEG) contains a housing 1 with upper and lower covers 2 and 3, equipped with nozzles for the input of exhaust steam 4 and the output of the condensate 5, an air pipe 6 made of dielectric material, inside of which between the upper and lower covers 2 and 3 placed vertical rectangular partitions 7, interconnected through one pair of bottom horizontal strips-bottoms 8, forming steam chambers 9, and above interconnected in a checkerboard pattern through one priest but with horizontal stripes-covers 10, forming condensate collection chambers 11, each vertical partition 7 consisting of several vertical perforated plates 12 placed with a gap 13 between themselves, made of hydrophilic dielectric material (for example, fiberglass), the holes in which are made in the form horizontal conical capillaries 14 arranged so that the small holes of the conical capillaries 14 of the previous plate 12 are located against the large holes of the conical capillaries 14 p the next plate 12, while in the cavity of each steam chamber 9, the plates 12 of the vertical partitions 7 face the large openings of the conical capillaries 14, and the cavity of each chamber for collecting condensate 11, on the contrary, the plates 12 of the vertical partitions 7 face the small openings of the conical capillaries 14, the outer surface of each outer vertical perforated plate 12 of all vertical partitions 7 is covered with a layer of perforated electrically conductive material 15 (for example, aluminum foil) connected from below to one by the named electrodes 16 and 17, connected, in turn, with the wires of the collectors of the same name 18, 19 and the terminals 20 and 21, respectively.

В основу работы предлагаемого капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, в которых движение осуществляется от большего сечения к меньшему, в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара [Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978, с.365, 366], а также способность диэлектрических жидкостей и газов подвергаться электризации при движении через трубопроводы и особенно через пористые перегородки, в которых величина тока электризация может увеличиться на несколько порядков [В.В. Захарченко и др. Электризация жидкостей и ее предотвращение. - М.: Химия, 1975, с.15-25],The proposed capillary electrostatic capacitor-electric generator is based on the peculiarities of the movement of liquid (steam) in conical capillaries, in which the movement is from larger to smaller sections, evaporation of the liquid occurs in the wide part of the capillary, and steam condensation occurs in the narrow part of the capillary [Lykov A.V. . Heat and mass transfer: (Reference). 2nd ed., Revised. and add. - M .: Energy, 1978, p.365, 366], as well as the ability of dielectric liquids and gases to undergo electrification when moving through pipelines and especially through porous walls, in which the magnitude of the electrification current can increase by several orders of magnitude [V.V. Zakharchenko et al. Electrification of liquids and its prevention. - M .: Chemistry, 1975, p.15-25],

КЭСКЭГ работает следующим образом. Отработанный пар при температуре насыщения через патрубок 4 поступает в верхнюю зону капиллярного конденсатора, откуда он распределяется по паровым камерам 9. Из камер 9 пар поступает в большие отверстия конических капилляров 14 первых пластин 12 вертикальных перегородок 7, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям конических капилляров 14, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q_r1. Мениски образовавшейся жидкости в капиллярах 15 соприкасаются с гидрофильным диэлектрическим материалом вертикальных пластин 12, распределяются на его поверхности благодаря зазорам 13 и его гидрофильности на следующих пластинах 12, откуда попадают в большие отверстия их капилляров 14, куда также поступает несконденсировавшийся пар из предыдущих пластин 12. KESKEG works as follows. The spent steam at the saturation temperature through the pipe 4 enters the upper zone of the capillary condenser, from where it is distributed to the steam chambers 9. From the chambers of 9 pairs, it enters the large openings of the conical capillaries 14 of the first plates 12 of the vertical partitions 7, in which it moves towards them by capillary forces small openings of conical capillaries 14, where partial condensation occurs with the release of condensation heat Q _r1 . The menisci of the formed liquid in the capillaries 15 are in contact with the hydrophilic dielectric material of the vertical plates 12, distributed on its surface due to the gaps 13 and its hydrophilicity on the next plates 12, from where they enter the large openings of their capillaries 14, which also receives non-condensed vapor from the previous plates 12.

В больших отверстиях конических капилляров 14 происходит частичное испарение образовавшейся жидкости в конических капиллярах 14, на которое используется тепло конденсации Q_r1 предыдущей пластины 12 и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 15, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q_r2. Образовавшееся жидкость как и в первой пластине 12 распределяется по поверхности гидрофильных пластин 12, благодаря зазорам 13 поступает на поверхность следующих пластин 12, смешивается с несконденсировавшимся паром, поступающим из конических капилляров 14 предыдущих пластин 12, и процесс повторяется аналогично вышеописанному во всех последующих пластинах 12. При этом по мере перемещения парожидкостной смеси от одной пластины 12 к другой влагосодержание ее увеличивается. In the large openings of the conical capillaries 14, partial evaporation of the formed liquid takes place in the conical capillaries 14, which uses the condensation heat Q _{r1 of the} previous plate 12 and the heat of the vapor itself, the vapor-liquid mixture moves under the action of capillary forces to the small openings of the conical capillaries 15, where partial condensation also occurs less steam with the release of already less heat Q _r2 . The liquid formed, as in the first plate 12, is distributed over the surface of the hydrophilic plates 12, due to the gaps 13 it enters the surface of the next plates 12, mixes with non-condensing vapor coming from the conical capillaries 14 of the previous plates 12, and the process is repeated similarly to the above in all subsequent plates 12. Moreover, as the vapor-liquid mixture moves from one plate 12 to another, its moisture content increases.

Образовавшийся конденсат из малых отверстий конических капилляров 15 последних по ходу пара пластин 12 распределяется по поверхности гидрофильного материала последней пластины 12 и под действием сил тяжести стекает на днище, образованное нижней крышкой 3, откуда выводится из конденсатора через патрубок 5, а несконденсировавшийся пар и газы (O₂, СО₂, N₂) выводятся через воздушный патрубок 6. Одновременно, при движении парожидкостной смеси, являющейся диэлектриком, по капиллярам 14 от первой вертикальной пластины 12 перегородки 4 до последней, выполненных из диэлектрического гидрофильного материала, парожидкостная смесь электризуется, электрический ток капиллярных потоков парожидкостной смеси суммируется слоями электропроводящего материала 15 с электродами 16 и 17 на первой и последней пластинах 12 с приобретением положительных и отрицательных зарядов, соответственно, поступает в разноименные коллекторы 18 и 19, создавая разность потенциалов на клеммах 20 и 21.Condensate formed from the small openings of the conical capillaries of the last 15 plates 12 along the pair of plates 12 is distributed over the surface of the hydrophilic material of the last plate 12 and flows by gravity to the bottom formed by the bottom cover 3, from where it is removed from the condenser through the pipe 5, and non-condensing vapor and gases ( O ₂ , CO ₂ , N ₂ ) are discharged through the air pipe 6. At the same time, when the vapor-liquid mixture, which is the dielectric, moves through the capillaries 14 from the first vertical plate 12 of the partition 4 to the last, made of a dielectric hydrophilic material, the vapor-liquid mixture is electrified, the electric current of the capillary flows of the vapor-liquid mixture is summed up by layers of the electrically conductive material 15 with electrodes 16 and 17 on the first and last plates 12 with the acquisition of positive and negative charges, respectively, enters the unlike collectors 18 and 19, creating potential difference at terminals 20 and 21.

Количество пластин 12 в одной перегородке 7 принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию большей части пара, поступившего в конические капилляры 14 первых по его ходу пластин 12. Ширина зазора 13 между пластинами 12 зависит от свойств жидкости и определяется опытным путем.The number of plates 12 in one partition 7 is taken so as to ensure condensation of the majority of the steam entering the conical capillaries 14 of the first plates 12. The width of the gap 13 between the plates 12 depends on the properties of the liquid and is determined experimentally.

Количество конденсата, транспортируемого с паром по коническим капиллярам 14 пластин 12, увеличивается по мере перемещения от одной пластины 12 к другой, а количество пара, соответственно, уменьшается. Аналогично этому количество тепла конденсации Q_ri также уменьшается по мере перемещения парожидкостной смеси от одной пластины 12 к другой, так как энергия большей части этого тепла тратится на создание поверхности жидкости на гидрофильной поверхности пластин 12, капиллярных сил, взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения. В тоже время при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 14, в результате преодоления сил трения, возникает статическое электричество, мощность и напряжение которого тем больше, чем больше число капилляров 14, их длина, расход парожидкостной смеси, ее диэлектрические свойства и диэлектрические свойства материала перегородок 7.The amount of condensate transported with steam through the conical capillaries 14 of the plates 12 increases as you move from one plate 12 to another, and the amount of steam decreases accordingly. Similarly, the amount of condensation heat Q _ri also decreases as the vapor-liquid mixture moves from one plate 12 to another, since the energy of most of this heat is spent on creating a liquid surface on the hydrophilic surface of the plates 12, capillary forces, mutual phase transformation and overcoming friction forces. At the same time, when the vapor-liquid mixture moves through the capillaries 14, as a result of overcoming the friction forces, static electricity arises, the power and voltage of which increase the greater the number of capillaries 14, their length, the flow rate of the vapor-liquid mixture, its dielectric properties and dielectric properties of the material of the partitions 7 .

Таким образом, предлагаемая конструкция капиллярного электростатического конденсатора-электрогенератора позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента с одновременным получением электричества.Thus, the proposed design of a capillary electrostatic capacitor-electric generator allows the process of condensation of steam without the use of a refrigerant with the simultaneous generation of electricity.

Claims

A capillary electrostatic capacitor-electric generator, comprising a housing with upper and lower covers, equipped with exhaust steam inlet, condensate outlet nozzles, an air pipe, inside which vertical rectangular partitions are placed between the upper and lower covers, connected to each other through horizontal stripes-bottoms connected in pairs from below, and from above also through one pair of horizontal stripes-covers, forming steam chambers and condensate collection chambers, each vertical partition of which consists of several vertical perforated plates placed with a gap between each other, made of hydrophilic dielectric material, the holes in which are made in the form of horizontal conical capillaries, arranged in such a way that the large holes of the conical capillaries of the previous vertical plate are directed towards the steam chamber, and the small ones towards the condensate collection chamber, characterized in that the outer surface of each outer vertical perforated plate of all vertical The city is covered with a layer of perforated electrically conductive material, connected from below to electrodes of the same name, connected, in turn, to wires of the same collectors and terminals, while the working fluid of the process of generating electricity is a vapor-liquid mixture.