ЭНЕРГОТЕПЛОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F25B29/00 F02G5/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для одновременного получения электрической энергии, тепла и холода, а также может использоваться в качестве авторефрижераторных установок.

Известно широкое применение парокомпрессионных холодильных машин для систем холодоснабжения. Недостатком таких систем является то, что в качестве рабочего тела холодильной машины используются фреоны, разрушающие озоновый слой атмосферы [1]
Известны также решения правительства РФ о развитии озононеразрушающих технологий в холодильной промышленности [2]
Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. Наивысшая температура цикла в зависимости от типа источника теплоты может быть в широком диапазоне значений, например от 500 до 1500 К. В качестве рабочего тела используются вещества, неразрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т.д. [3] Однако мощность, вырабатываемая машиной Вюлемье-Такониса, полностью расходуется на привод холодильной машины, что не позволяет использовать ее для получения полезной электрической энергии.

Известно устройство энергоустановок по повышению термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки. Сущность применяемого для этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси углерода (Co₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигателе, например газовой турбине [4] Однако данные устройства не позволяют непосредственно получить теплоту низкого (холод) потенциала.

Известно устройство установки для комбинированного получения электроэнергии, тепла и холода, содержащей газовый двигатель, связанных с ним контуров систем теплоснабжения и холодоснабжения, оборудование для процесса газификации [5]
Недостатками данного изобретения являются невысокий КПД установки в целом, большое количество вспомогательного оборудования.

Технический результат изобретения возможность одновременного получения электрической энергии, тепла и холода, а также значительное снижение затрат материальных ресурсов для получения данного эффекта, применение технологий, не вызывающих разрушения озонового слоя атмосферы, и повышение КПД установки в целом.

Для достижения технического результата энерготеплохолодильная установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания замкнутого цикла, контуры систем теплоснабжения и холодоснабжения, снабжена тепловой механически замкнутой машиной Вюлемье-Такониса, состоящей из холодильной машины и двигателя, каждый из которых содержит блок теплообменных аппаратов, и связанной через нагреватель двигателя с газоходом двигателя внутреннего сгорания, через охладитель холодильной машины с контуром системы холодоснабжения, а через холодильники двигателя и холодильной машины с контуром системы теплоснабжения.

Введение в состав энерготеплохолодильной установки тепловой машины Вюлемье-Такониса позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании высокого потенциала отработанных газов для работы тепловой машины, с целью получения тепла и холода высокого потенциала.

На чертеже изображена энерготеплохолодильная установка.

Энерготеплохолодильная установка включает в себя контур двигателя замкнутого цикла 1, контур машины Вюлемье-Такониса 2, контур системы холодоснабжения 3 и контур системы теплоснабжения 4.

Контур двигателя замкнутого цикла 1 состоит из двигателя внутреннего сгорания 5, реактора 6, бункера с щелочноземельным металлом 7, накопителя твердых продуктов реакции 8, сепаратора 9, охладителя 10, смесителя 11, а также устройства для забора воздуха 12 и устройства для выпуска части отработанных газов в атмосферу 13. Контур 1 соединен с контуром машины Вюлемье-Такониса 2 через нагреватель 14, который с регенератором 15 и холодильником 16 составляет блок теплообменников линии двигателя машины Вюлемье-Такониса, а холодильник 17, регенератор 18 и охладитель 19 составляют линию холодильной машины Вюлемье-Такониса. Движение и порядок распределения рабочего тела внутри машины обеспечивается возвратно-поступательным движением поршневой группы 20. Для пуска машины предусмотрен электродвигатель 21, связанный с приводом машины (не показан).

Контур холодоснабжения 3, в который входит система трубопроводов 22, потребитель холода 23, насос 24, соединен с машиной Вюлемье-Такониса через охладитель 19. Система теплоснабжения 4, состоящая из системы трубопроводов 25, потребителя тепла 26, насоса 27, соединена с контурами 1 и 2 через теплообменники 17, 16, 10. Запорно-регулирующая арматура 28, 29, 30, 31 позволяет производить регулирование температуры в контурах 3 и 4 и менять структуру подачи теплоносителей в зависимости от изменения тепловых нагрузок.

Энерготеплохолодильная установка работает следующим образом.

Отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания 5 поступает в реактор 6, куда из бункера 7 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В реакторе 6 происходит обработка газов по реакции типа:
2 Mg + CO₂ + H₂O → 2 MgO + CO + H₂ + Q,
с выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000 1500 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Более того, образовавшаяся в реакции смесь окиси углерода (CО) и водорода (H₂) представляет собой так называемый "синтез-газ", который может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Твердые продукты реакции собираются в накопителе 8, а газообразные через сепаратор 9 поступают в нагреватель машины Вюлемье-Такониса 14, срабатывают часть термодинамического потенциала и после охладителя 10 поступают в смеситель 11, куда подается воздух из атмосферы через заборное устройство 12 для образования искусственной газовой смеси, поступающей затем в цилиндры двигателя внутреннего сгорания 5.

Теплота высокого потенциала, переданная отработанными газами в нагревателе 14 рабочему телу машины Вюлемье-Такониса, для запуска которой используется электродвигатель 21, отключающийся при выходе машины на рабочий режим, преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы 20, обеспечивая совершение двойного термодинамического цикла машины цикла холодильной машины через теплообменники 17 19 и цикла двигателя через теплообменники 14 16, причем работа последнего имеет значение, необходимое для реализации холодильного цикла и получения полезной холодопроизводительности, снимаемой в охладителе 19, теплоносителем системы холодоснабжения 3. Данный охлажденный теплоноситель насосом 24 подает потребителю 23 и нагретый возвращается в охладитель 19, где передается тепло рабочему телу машины Вюлемье-Такониса.

Для получения высокотемпературного потенциала теплоносителя системы теплоснабжения 4 охлажденный теплоноситель после потребителя теплоты 26 насосом 27 подается в холодильники 17 и 16 машины Вюлемье-Такониса, и охладитель 10 контура 1, где охлаждает соответственно сначала рабочее тело машины Вюлемье-Такониса, а затем выходящие из нагревателя 14 отработанные газы двигателя внутреннего сгорания 5, при этом получает достаточно высокий термодинамический потенциал, необходимый потребителю 26. Запорно-регулирующая аппаратура 28 31 позволяет производить регулирование температуры в контурах 3 и 4 и менять структуру подачи теплоносителей в теплообменники установки в зависимости от тепловых нагрузок, обеспечивая оптимальный режим работы энерготеплохолодильной установки в целом.

Источники информации.

1. Холодильные машины. Учебник для вузов /Под ред. И. А. Сакуна/ Л. Машиностроение, 1985, 510 с.

2. О мерах по обеспечению выполнения обязательства РФ по Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой. Постановление правительства РФ от 03.06.92, N 378.

3. Архипов А.М. Марфенина И.В. и Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М. Машиностроение, 1978, с 305.

4. Дыбок В.В. и Савельев В.В. Нетрадиционные способы обеспечения работы дизелей объектов МО без связи с атмосферой. Тезисы научно-технической конференции "Научные и практические вопросы совершенствования теплоэнергоустановок малой мощности. С-Пб. ВИСИ, 1994, с. 86.

5. Заявка ФРГ на изобретение N 3609702, кл F 25 B 29/00, опублик. 1988, с.4 (прототип).

Использование: в теплоэнергетике, в частности, для одновременного получения электрической энергии, тепла и холода, а также в качестве авторефрижераторных установках. Достигаемый технический результат - одновременное производство электрической энергии, тепла и холода, значительное снижение затрат материальных ресурсов для получения данного эффекта, применение технологий в холодильной технике, не вызывающих разрушения озонового слоя атмосферы, а также повышение КПД установки в целом. Сущность изобретения: установка снабжена тепловой машиной Вюлемье-Такониса, состоящей из холодильной машины и двигателя, имеющих теплообменные аппараты, и связанной через нагреватель двигателя с газоходом двигателя внутреннего сгорания, через охладитель холодильной машины - с контуром системы холодоснабжения и через холодильники двигателя и холодильной машины - с контуром системы теплоснабжения. 1 ил.

Энерготеплохолодильная установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания замкнутого цикла, контуры системы теплоснабжения и холодоснабжения, отличающаяся тем, что снабжена тепловой механически замкнутой машиной Вюлемье-Такониса, состоящей из холодильной машины и двигателя, каждый из которых содержит блок теплообменных аппаратов, и связанной через нагреватель двигателя с газоходом двигателя внутреннего сгорания, через охладитель холодильной машины с контуром системы холодоснабжения, и через холодильники двигателя и холодильной машины с контуром системы теплоснабжения.