АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА "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 Стирлингу, 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, С. -Пб. , 1997, стр.38-40) [1]. 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 машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, содержащей полости сжатия и расширения, картер, регенератор, теплообменник нагрузки, холодильник, вытеснитель, рабочий поршень с уплотнением штока вытеснителя, привод (патент России N 2079069. Бюл. N 13, 10.05.97.) [2].

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, С.-Пб., 1997, стр. 140) [3].

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее в себя камеру сгорания, нагреватель, регенератор, холодильник, поршневую группу и привод (Г. Ридер. , Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986, стр. 55) [4]. Однако для повышения КПД двигателя необходимо минимизировать низшую температуру цикла.

Известно техническое решение теплоэнергетической установки с двигателем и тепловым насосом, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, при этом двигатель и тепловой насос соединены через вал (gатент США N 4458495. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск 8- 97, N 3, 1985, стр. 13) [5] . Однако двигатель и тепловой насос Стирлинга выполнены в виде свободнопоршневых машин, что ограничивает возможности установки по производительности электроэнергии и тепловой мощности.

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) [6]. Однако данная установка имеет невысокую производительность по тепловой энергии, а также в ней не используется теплота охлаждающей жидкости двигателя, что приводит к потери полезной низкопотенциальной энергии.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД двигателя и установки в целом, высокоэффективном получении насыщенного пара высокого давления, а также в снижении негативного экологического воздействия на окружающую среду.

Для достижения этого технического результата автономная энергоустановка "Стирлинг-Стирлинг", включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива и теплообменник для подогрева жидкости внешней системы теплопотребления, через который проходят отработанные 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 электропривода, и связанным с двигателем через систему охлаждения двигателя, проходящей через холодильники двигателя и теплового насоса, включающей в себя теплообменник охлаждения охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя, расположенным перед тепловым насосом, промежуточную теплоизолированную емкость и циркуляционный насос, обеспечивающий движение охлаждающей жидкости через холодильники двигателя и теплового насоса, а также линией подачи воздуха в камеру сгорания двигателя с теплообменником подогрева воздуха и регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник охлаждения системы охлаждения двигателя, и линией сброса отработанных газов из камеры сгорания двигателя, проходящей через теплообменник подогрева теплоносителя внешней системы теплопотребления, выполненного в виде парогенератора, при этом внешняя система теплопотребления содержит магистраль нагрева возвратного конденсата с циркуляционным насосом, проходящую через теплообменник нагрузки теплового насоса в парогенератор, и магистраль насыщенного пара высокого давления, связывающую парогенератор с потребителями.

Введение в состав автономной энергоустановки "Стирлинг-Стирлинг" теплового насоса Стирлинга, связанного с двигателем Стирлинга через систему охлаждения двигателя, содержащей теплообменник охлаждения охлаждающей жидкости, через который проходит линия подачи воздуха, а также выполнение теплообменника подогрева теплоносителя внешней системы теплопотребления в виде парогенератора, позволяет получить новое свойство, заключающееся в охлаждении охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя до температур ниже окружающей среды, что приводит к повышению КПД двигателя и использовании остаточного тепла системы охлаждения двигателя для нагрева конденсата в теплообменнике нагрузки теплового насоса, а также нагревание воздуха за счет теплообмена с охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя и остаточным теплом отработанных газов, что в совокупности приводит к повышению КПД всей установки и высокоэффективному получению насыщенного пара высокого давления, 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 изображена автономная энергоустановка "Стирлинг-Стирлинг".

Автономная энергоустановка "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 теплоносителя внешней системы теплопотребления, выполненного в виде парогенератора 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 охлаждения охлаждающей жидкости 11, расположенного перед тепловым насосом 6, промежуточной теплоизолированной емкости 12 и насоса 13, линию подачи воздуха 14 с теплообменником нагрева воздуха 15 и регулирующим клапаном 16, проходящую через теплообменник охлаждения 11 в камеру сгорания 2 двигателя 1, линию сброса отработанных газов 17 двигателя 1, проходящую через парогенератор 5 и теплообменник 15, систему внешнего теплопотребления, состоящую из магистрали нагрева возвратного конденсата 18 с циркуляционным насосом 19, проходящей через теплообменник нагрузки 7 теплового насоса 6, и магистрали насыщенного пара высокого давления 20, связывающей парогенератор 5 с потребителями. Двигатель 1 снабжен линией подачи топлива 21.

Автономная энергоустановка "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 поступают в теплообменник охлаждения 11, где снижается ее температура до уровня окружающей среды за счет теплообмена с воздухом, и подается в холодильник 8 теплового насоса Стирлинга 6. За счет подвода внешней энергии от электропривода 9 (или от привода двигателя 1) происходит передача теплоты охлаждающей жидкости системы охлаждения 10 возвратному конденсату системы внешнего теплопотребления, протекающему через теплообменник нагрузки 7 теплового насоса 6 по магистрали 18 и поступающему в парогенератор 5 с помощью насоса 19. Поступив в теплообменник нагрузки 7 с температурой окружающей среды и отдав значительную часть своей теплоты рабочему телу теплового насоса 6, охлаждающая жидкость охлаждается до температуры ниже окружающей среды, а затем поступает в промежуточную теплоизолированную емкость 12, откуда с помощью насоса 13 вновь подается в холодильник 3 для охлаждения двигателя 1. Воздух, подаваемый по линии 14, проходит через теплообменник 11, где нагревается от охлаждающей жидкости системы охлаждения 10, затем поступает в теплообменник нагрева воздуха 15, где нагревается остаточным теплом отработанных газов двигателя 1, и подается в камеру сгорания 2 двигателя 1, при этом количество подаваемого воздуха регулируется клапаном 16. В камеру сгорания также подается топливо по линии 21, в результате сгорания которого образуются выхлопные газы с высокой температурой. Эти газы по линии сброса 17 поступают в парогенератор 5. В парогенератор 5 по линии подачи конденсата 18 с помощью насоса 19 подается возвратный конденсат, предварительно нагретый до температуры кипения в теплообменнике нагрузки 7. В результате теплобмена отработанными газами возвратный конденсат в парогенераторе 5 кипит и переходит в состояние насыщенного перегретого пара высокого давления. После парогенератора отработанные газы поступают в теплообменник 15, где отдают остаточную теплоту воздуху, перед его поступлением в камеру сгорания 2 двигателя 1. Затем отработанные газы удаляются в окружающую среду. Насыщенный пар из парогенератора 5 по магистрали 20 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.: Мир, 1986, стр. 55.

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

6. Заявка ЕПВ 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, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД двигателя и установки в целом, высокоэффективное получение насыщенного пара высокого давления, а также 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 охлаждения до температуры окружающей среды в теплообменнике 11 используется в тепловом насосе Стирлинга 6 для нагрева конденсата в магистрали 18. Затем охлажденная до температуры ниже окружающей среды охлаждающая жидкость поступает в холодильник 3 двигателя 1 через промежуточную теплоизолированную емкость 12. Количество подаваемого воздуха по линии подачи 14 регулируется клапаном 16. Отработанные газы по линии сброса 17 сначала поступают в парогенератор 5, а затем в теплообменник 15, где нагревают воздух перед его поступлением в камеру сгорания 2. Возвратный конденсат предварительно нагревается в теплообменнике нагрузки 7 и переходит в насыщенный пар высокого давления в парогенераторе 5. 1 ил.

Автономная энергоустановка "Стирлинг-Стирлинг", включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива и теплообменник для подогрева жидкости внешней системы теплопотребления, через который проходят отработанные газы двигателя Стирлинга, внешние магистрали системы теплопотребления, отличающаяся тем, что снабжена тепловым насосом, работающим по обратному циклу Стирлинга, привод которого может осуществляться от вала двигателя Стирлинга или от внешнего электропривода, и связанным с двигателем через систему охлаждения двигателя, проходящую через холодильники двигателя и теплового насоса, включающую в себя теплообменник охлаждения охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя, расположенный перед тепловым насосом, промежуточную теплоизолированную емкость и циркуляционный насос, обеспечивающий движение охлаждающей жидкости через холодильники двигателя и теплового насоса, а также линией подачи воздуха в камеру сгорания двигателя с теплообменником подогрева воздуха и регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник охлаждения системы охлаждения двигателя, и линией сброса отработанных газов из камеры сгорания двигателя, проходящей через теплообменник подогрева теплоносителя внешней системы теплопотребления, выполненный в виде парогенератора, при этом внешняя система теплопотребления содержит магистраль нагрева возвратного конденсата с циркуляционным насосом, проходящую через теплообменник нагрузки теплового насоса в парогенератор, и магистраль насыщенного пара высокого давления, связывающую парогенератор с потребителями.