185010. lajstromszámú szabadalom • Kétfázisú turbinák telített folyadékok expandáltatására a hozzátartozó berendezések és erőmű elrendezések, főleg geotermikus erőművek, hőtároló berendezések, hűtőgépek és vegyipari technológiák részére
.ermészetes és ipari körülmények között egyaránt .. ,„rü üo, energiafelszabadulás mellett lejátszódó /zifcaí folyamat a gőzfejlődéssel járó telített folyadék expanzió. Ilyen folyamat a föld mélyéből feltörő nagynyomású forróvizek esetében, hőerőműveknél, a vegyiparban, a hűtőipar területén és még több más helyen előfordul. Az energiaipar eddig meg nem oldott feladata ezen expanzióknak a minimális veszteséggel történő, jóhatásfokú energiatermelésre való felhasználása erre alkalmas erőgép és technológia kidolgozásával és bevezetésével. Ez a találmány ennek a feladatnak megoldásához született. Egy erőgépet és ennek különböző egymással rokon típusait, az ezekkel kialakított berendezéseket és technológiai elrendezéseket tartalmazza, melyek egységesen képezik a találmány tárgyát. A találmány szerinti erőgép valamennyi típusa folyadékállapotból kiinduló kétfázisú expanziót hasznosító, kétfázisú fúvókákkal rendelkező axiális átömlésű aerodinamikus jellegű turbina. Üzemeltetésük célja vagy generátorra kapcsolt állapotban történő villamos energia termelése, vagy a tengelyről átvitt módon mechanikai energia szolgáltatása valamilyen meghajtás céljára. Az erőgépek közös neve: kétfázisú turbina. A turbinás üzem célja a közvetlen energiatermelésen kívül egyes helyeken még az izentropikus expanzió által nyújtott különleges előny elérése is lehet. Például a hűtőkörfolyamatok, a hőszivattyús körfolyamatok, valamint a kriogén körfolyamatok kétfázisú turbinával történő expanziós folyamatainál az izentropikust megközelítő expanzió végén a cseppfolyós hányad megnövekedése. A találmány tárgyát képezi a kétfázisú turbinákhoz tartozó többrészes kétfázisú fúvóka is, amellyel lehetővé válik nagyobb teljesítményű turbinák megvalósítása, ■korlátozott gépméretek mellett is. A turbinákhoz tartozó és a találmány szerinti egyes berendezések, mint a gőzleválasztók és a szabályozó, fontos tartozékai a turbinákkal kialakítható erőmű technológiáknak. Ezek legszélesebb felhasználási területe a geotermikus energitermelés lehet. A találmány szerinti, kétfázisú turbinával rendelkező nem erőművi berendezés az expanziós hűtő. Létesítését energetikai előny teszi indokolttá, és a jó sterilitás feltételének megvalósulása. A találmányhoz tartozó turbinatípusok az említetteken kívül felhasználásra kerülhetnek még további olyan nevezetes helyeken, mint a hőtároló rendszerek bizonyos típusainál — például az egyik Marguerre-féle hőtároló esetében — vagy a földgázcseppfolyósításban. A találmány tárgyát képező turbinák, berendezések és technológiai elrendezések a találmány bejelentésének időpontjáig (1972-ig) nem ismeretesek. Egyáltalán alig ismeretes bármiféle, folyadékáilapotú közegből kiinduló expanzióval üzemelő kétfázisú hőerőgépnek a terve, beleértve az ilyen üzemű dugattyús gépeket is, mely utóbbiaknak inkább csak a gondolata köztudott a hűtőgéptanban. Jóllehet a telített folyadékot expandáltató kétfázisú fúvóka már évtizedek óta ismeretes, vele létrehozható turbógépről legelőször Reinkenhof német mérnök írt közleményt 1964-ben. Az általa leírt erőgépterv egy Segner-kerék elvén működő kélfúvókás reakciós turbina. A kisméretben is jobbhatásfokú és erőművi méretekben is megfelelő erőgép tervének kialakításához a találmányi gondolaton kívül szükséges volt a kétfázisú expanzió körülményeinek alaposabb tanulmányozása. Szükség volt továbbá az erózió mértékének reális eívT megfontolására, és fúvókás kísérletek alapján gyakoriatF vizsgálatára is. Ezek után alakult ki az állófúvókás és axiális átömlésű forgólapátos turbina gondolata és megvalósításának terve, minden más forgólapátot (pl. Peltonféíét) tartalmazó típus elvetése után. Jelenleg telítési állapothoz közelálló folyadékok expandáltatás mellett történő energiatermelésére, a geotemikus erőművek egyfázisú erőgépeket, gőzturbinákat használnak. Ezekben az erőművekben a forró folyadékot egy- vagy többfokozatú adiabatikus fojtással expandáltatják ún. flash folyamattal, s az egyes fojtási fokozatokon keletkezett gőzt egy-egy gőzturbinába vezetik. A találmány szerinti új turbinákkal, ugyanazon expanziós körülmény mellett jobb energiakihasználás érhető el, mint ami az ilyen gőzturbinás erőműveknél a fojtásos expanzióval ma elérhető. Az ismertetett új erőműveknél - amelyek geotermikus erőműként alkalmazhatók legfőképpen - érdemes szem előtt tartani nehány számszerű összefüggést. Egy ma használatos szakaszos fojtásokkal üzemelő gőzturbinás telített folyadékot expandáltató erőmű teljesítménye, ha a fojtások htlyére kétfázisú turbinák kerülnek, átlagosan 35 %-ot növekedik. Ha ez az erőmű kizárólag kétfázisú turbinákkal lesz megépítve, 25 %-os teljesítmény növekedésre lenet számítani. Az előbbi többlete a gőzturbinák jobb hatásfokából adódik, viszont utóbbiaknál döntő előny az erőmű egyszerűsége, mind a beruházás, mind a karbantartás szempontjából. A hűtőgépeknél, illetve a hőszivattyúknál az expanziós fojtószelep helyére a találmány szerinti kétfázisú turbinát beépítve, ez az energiatermelésével visszanyerheti a kompresszorba betáplált energia kb. 5- 8 %-át, ugyanakkor a hűtőgép esetén például a fajlagos hűtőteljesítmény a közel izentropikus expanziót megvalósító turbina folytán kb. 2—5 %-kal nőhet. A találmány alapját olyan kétfázisú expanzióval üzemelő egy vagy többfokozatú axiális átömlésű turbinák képezik, amelyeknél az első fokozat fúvókájában történő expanzió folyamán a kezdeti folyadékállapotú közeg eléri a telítési pontot és az expanzió további része fázisváltozással, azaz forrás miatt történő gőzkiválással mint kétfázisú expanzió történik. Az expandáló közeg döntő tömegszázaléka az expanzió folyamán diszperz folyadékfázis, főleg köd alakjában halad végig a turbinán, miközben többfokozatú turbina esetében a gőzfejlődés a folyadékfázisból valamennyi fokozatban folyik, a ködben levő cseppecskék az expanzió folyamán végig forrásban, illetve a szétrobbanás állapotában vannak. Reakciós fokozatok alkalmazása esetén a jelenség a forgó lapátsorokban is folyik. A turbinák elsődleges feladata a minél tisztább folyadékállapotból kiinduló expanzió megvalósítása és üzemi, valamint energetikai szempontból is kerülni kell, hogy a turbina csatlakozó vezetékében gőzfázis érkezzen. Ha az elkerülhetetlen, a rendszertelenül áramló gőzbuborékok az első fokozat működését zavarják, így azokat a fúvókák előtti folyadékkamrában le kell választani és el kell vezetni más felhasználási helyre vagy többfokozatú turbina esetén az első turbinafokozat kikerülésével egyenletesen vissza lehet vezetni a már kétfázisúvá vált keverék áramába. Egy a találmány szerinti függőleges tengelyű axiális áfomlésű egyfokozatú kétfázisú turbina látható az 1. ábrán. A 2 jelű turbinakerékhez képest ferde ráfúvási 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
