АВТОНОМНЫЙ ЭНЕРГОМОДУЛЬ "СТИРЛИНГ-СТИРЛИНГ" Российский патент 2000 года по МПК F02G1/43 F25B9/14 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и газовых регенеративных машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла.

Известны децентрализованные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, работающими по обратному циклу Стирлинга, отличающиеся наиболее высокой эффективностью и экологической чистотой, так как в качестве рабочего тела теплового насоса используются озононеразрушающие вещества - гелий, водород, воздух и т.д. (Кириллов Н.Г., Сударь Ю.М. и др. Децентрализованные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, работающими по обратному циклу Стирлинга / Информационный бюллетень: "Теплоэнергетические технологии"/, N 1. СПб, 1997, стр. 38-40). Однако для уменьшения подводимой электрической энергии для привода теплового насоса желательно использовать в качестве источника низкопотенциальной теплоты, рабочую среду с максимально высокой температурой.

Известно устройство - машина, работающая по обратному циклу Стирлинга, содержащая полости сжатия и расширения, картер, регенератор, теплообменник нагрузки, холодильник, вытеснитель, рабочий поршень с уплотнением штока вытеснителя, привод (патент России N 2079069, Бюл. N 13 от 10.05.97).

Известно, что автономные энергоисточники на основе двигателей Стирлинга обеспечивают высокую эффективность и снижение концентрации вредных выбросов в выхлопных газах (Кириллов Н.Г. Применение высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга в судовой энергетике. / Труды 2-й межд. конфер. по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-97"/, Том N 5, СПб., 1997, стр. 140).

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее в себя камеру сгорания, нагреватель, регенератор, холодильник, поршневую группу и привод (Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 55).

Известно техническое решение теплоэнергетической установки с двигателем и тепловым насосом, работающей по прямому и обратному циклам Стирлинга, при этом двигатель и тепловой насос соединены через вал (Патент США N 4458495. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-97, N 3, 1985, стр. 13). Однако, двигатель и тепловой насос Стирлинга выполнены в виде свободнопоршневых машин, что ограничивает возможности установки по производительности электроэнергии и тепла.

Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят выхлопные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (Заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13). Однако, данная установка имеет невысокую производительность по тепловой энергии, а также в ней не используется теплота охлаждающей жидкости двигателя, что приводит к потере полезной низкопотенциальной энергии.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД установки в целом и снижении негативного экологического воздействия на окружающую среду.

Для достижения этого технического результата автономный энергомодуль "Стирлинг-Стирлинг", включающий в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива и теплообменник для подогрева жидкости внешней системы теплопотребления, через который проходят выхлопные газы двигателя Стирлинга, внешние магистрали системы теплопотребления, снабжен тепловым насосом, работающим по обратному циклу Стирлинга, привод которого может осуществляться от вала двигателя Стирлинга или от внешнего электродвигателя, и связанным с двигателем с помощью системы охлаждения двигателя, проходящей через холодильники двигателя и теплового насоса, включающей в себя теплообменник подогрева охлаждающей жидкости двигателя, расположенным перед тепловым насосом, теплообменник охлаждения охлаждающей жидкости двигателя, расположенным после теплового насоса, промежуточную емкость и циркуляционный насос, обеспечивающий движение охлаждающей жидкости двигателя через холодильники двигателя и теплового насоса, а также линией подачи воздуха в камеру сгорания двигателя, с регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник охлаждения, и линией сброса выхлопных газов из камеры сгорания двигателя, проходящей через теплообменник подогрева, при этом внешняя система теплопотребления включает в себя магистраль нагрева теплоносителя, проходящего через теплообменник подогрева жидкости, магистраль нагрева теплоносителя, проходящую через теплообменник нагрузки теплового насоса, которые соединяются в смесительной емкости, и магистраль с насосом для подачи нагретого теплоносителя потребителю.

Введение в состав автономного энергомодуля "Стирлинг-Стирлинг" теплового насоса Стирлинга, связанного с двигателем Стирлинга через систему охлаждения двигателя, содержащей теплообменники подогрева и охлаждения охлаждающей жидкости, через которые проходят, соответственно линия сброса отработанных газов двигателя и линия подачи воздуха, позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании остаточного тепла отработанных газов двигателя и теплоты системы охлаждения двигателя для снижения потребляемой тепловым насосом полезной мощности, а также использование воздуха для охлаждения охлаждающей жидкости системы охлаждения, перед ее подачей в холодильник двигателя, что приводит к повышению КПД установки в целом, при этом применение двигателя Стирлинга с низким уровнем выброса вредных веществ и теплового насоса Стирлинга с озононеразрушающим рабочим телом, снижает уровень экологического загрязнения окружающей среды.

На чертеже изображен автономный энергомодуль "Стирлинг-Стирлинг".

Автономный энергомодуль "Стирлинг-Стирлинг" включает в себя двигатель Стирлинга 1 с камерой сгорания 2 и холодильником 3, электрогенератор 4, расположенный на одном валу с двигателем 1, теплообменник подогрева жидкости внешней системы теплопотребления 5, тепловой насос Стирлинга 6 с теплообменником нагрузки 7, холодильником 8 и электроприводом 9, системы охлаждения 10 двигателя 1, проходящей через холодильники 3 и 8, и состоящей из теплообменника подогрева охлаждающей жидкости 11, расположенного перед тепловым насосом 6, теплообменника охлаждения охлаждающей жидкости 12, расположенного после теплового насоса 6, промежуточной емкости 13 и насоса 14, линию подачи воздуха 15, проходящую через теплообменник 12 в камеру сгорания 2 двигателя 1, с регулирующим клапаном 16, линию сброса выхлопных газов 17 двигателя 1, проходящую через теплообменник 5 и 11, систему внешнего теплопотребления, состоящую из магистрали нагрева теплоносителя системы внешнего теплопотребления 18, проходящей через теплообменник 5, и магистрали нагрева теплоносителя 19, проходящей через теплообменник нагрузки 7 теплового насоса 6. Магистрали 18 и 19 соединяются в смесительной емкости 20, из которой по магистрали 21 с помощью насоса 22 нагретый теплоноситель подается потребителю. Двигатель 1 снабжен линией подачи топлива 23.

Автономный энергомодуль "Стирлинг-Стирлинг" работает следующим образом.

При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя Стирлинга 1 предусмотрена система охлаждения 10, по которой, приняв теплоту от рабочего тела двигателя 1 в холодильнике 3, охлаждающая жидкость поступает в теплообменник подогрева 11, где повышается ее температура за счет теплообмена с выхлопными газами, и подается в холодильник 8 теплового насоса Стирлинга 6. За счет подвода внешней энергии от электродвигателя 9 (или от привода двигателя 1) происходит передача теплоты охлаждающей жидкости системы охлаждения 10 теплоносителю системы внешнего теплопотребления, протекающему через теплообменник нагрузки 7 теплового насоса 6 по магистрали 19. Отдав значительную часть своей теплоты рабочему телу теплового насоса 6, охлаждающая жидкость поступает в теплообменник охлаждения 12, где охлаждается до температуры окружающей среды за счет теплообмена с воздухом, и поступает в промежуточную емкость 13, откуда с помощью насоса 14 вновь подается в холодильник 3, для охлаждения двигателя 1. Воздух, подаваемый по линии 15, проходит через теплообменник 12, где нагревается от охлаждающей жидкости системы охлаждения 10, и подается в камеру сгорания 2 двигателя 1, при этом количество подаваемого воздуха регулируется клапаном 16. В камеру сгорания также подается топливо по линии 23, в результате сгорания которого образуются выхлопные газы с высокой температурой. Эти газы по линии сброса 17 поступают в теплообменник подогрева 5, где нагревают часть теплоносителя внешней системы теплопотребления, поступающего в теплообменник 5 по магистрали 18. После теплообменника 5 выхлопные газы поступают в теплообменник 11, где отдают остаточную теплоту охлаждающей жидкости, перед ее поступлением в тепловой насос 6. Затем выхлопные газы удаляются в окружающую среду. Нагретый в теплообменниках 5 и 7, теплоноситель внешней системы теплопотребления по магистралям 18 и 19 поступают в смесительную емкость 20, где обе части теплоносителя перемещаются, и по магистрали 21 насосом 22 подается внешнему потребителю.

Источники информации
1. Кириллов Н.Г., Сударь Ю.М. и др. Децентрализованные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, работающими по обратному циклу Стирлинга. / Информационный бюллетень: "Теплоэнергетические технологии"/. N 1 С-Пб., 1997, стр. 38-40.

2. Патент России N 2079069, Бюл. N 13 от 10.05.97 года.

3. Кириллов Н.Г. Применение высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга в судовой энергетике. /Труды 2-й межд. конфер. по морским интеллектуальным технологиям "Моринтех-97"/, Том N 5, С-Пб., 1997, стр. 140.

4. Г. Ридер., Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр. 55.

5. Патент США N 4458495. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-97, N 3, 1985, стр. 13.

6. Заявка ЕВП N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13 - прототип.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и газовых регенеративных машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, предназначенных в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД установки в целом и снижение негативного экологического воздействия на окружающую среду. При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4. Для охлаждения двигателя Стирлинга 1 предусмотрена система охлаждения 10. Теплота охлаждающей жидкости системы 10 после подогрева в теплообменнике 11 используется в тепловом насосе Стирлинга 6 для уменьшения мощности электродвигателя 9. Затем охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды в теплообменнике 12 и поступает в холодильник 3 двигателя 1 через промежуточную емкость 13. В камеру сгорания также подается топливо по линии 23, в результате сгорания которого образуются выхлопные газы, которые по линии сброса 17 сначала поступают в теплообменник подогрева 5, а затем в теплообменник 11, где отдают остаточную теплоту охлаждающей жидкости перед ее поступлением в тепловой насос 6. Нагретый в теплообменниках 5 и 7 теплоноситель внешней системы теплопотребления по магистралям 18 и 19 поступает в смесительную емкость 20, где обе части теплоносителя перемешиваются, и по магистрали 21 насосом 22 подается внешнему потребителю. 1 ил.

Автономный энергомодуль "Стирлинг-Стирлинг", включающий в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива и теплообменник для подогрева жидкости внешней системы теплопотребления, через который проходят выхлопные газы двигателя Стирлинга, внешние магистрали системы теплопотребления, отличающийся тем, что снабжен тепловым насосом, работающим по обратному циклу Стирлинга, привод которого может осуществляться от вала двигателя Стирлинга или от внешнего электродвигателя, и связанным с двигателем с помощью системы охлаждения двигателя, проходящий через холодильники двигателя и теплового насоса, включающий в себя теплообменник подогрева охлаждающей жидкости двигателя, расположенный перед тепловым насосом, теплообменник охлаждения охлаждающей жидкости двигателя, расположенный после теплового насоса, промежуточную емкость и циркуляционный насос, обеспечивающий движение охлаждающей жидкости двигателя через холодильники двигателя и теплового насоса, а также линией подачи воздуха в камеру сгорания двигателя с регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник охлаждения, и линией сброса выхлопных газов из камеры сгорания двигателя, проходящей через теплообменник подогрева, при этом внешняя система теплопотребления включает в себя магистраль нагрева теплоносителя, проходящую через теплообменник подогрева жидкости, магистраль нагрева теплоносителя, проходящую через теплообменник нагрузки теплового насоса, которые соединяются в смесительной емкости, и магистраль с насосом для подачи нагретого теплоносителя потребителю.