АВТОНОМНАЯ СТИРЛИНГ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛА Российский патент 2001 года по МПК F02G5/02 F02G1/43 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла.

Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину, конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141- 142). Однако, данное устройство не предназначено для выработки тепловой энергии для теплоснабжения внешних потребителей и в нем используется невысокоэффективный преобразователь прямого цикла - ДВС.

Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя (ПНП), предназначенного для применения в различных промышленных технологиях с использованием пара, совмещающего в себе функции подогревателя и насоса одновременно. Применение ПНП позволяет существенно сократить расход электроэнергии на собственные нужды и уменьшить массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов ("Энергетика Петербурга" /газета/, N 5 (11), от 25.05.99 г.). Однако, ранее пароводяной насос- подогреватель в когенерационных установках не применялся.

Известно, что автономные энергоисточники на основе двигателей Стирлинга обеспечивают высокую эффективность и снижение концентрации вредных выбросов в отработанных 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). Однако, для повышения КПД двигателя Стирлинга необходимо использовать охлаждающую жидкость с минимальной температурой.

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).

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 сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора, а также, она не предназначена для выработки пара для использования его в системах внешнего теплоснабжения.

Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей с себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16-17). Однако, данное устройство не предполагает выработку пара и использования его для сокращения потребления электроэнергии на собственные нужды, а также, в качестве преобразователя прямого цикла используется ДВС, имеющий невысокий КПД, и высокую концентрацию вредных веществ в отработанных газах.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД установки, за счет уменьшения энергозатрат на собственные нужды и применения более высокоэффективного термодинамического цикла преобразователя прямого цикла - цикла Стирлинга, и снижении массогабаритных характеристик автономной установки в целом.

Для достижения этого технического результата автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающая в себя преобразователь прямого цикла (двигатель) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, снабжена, в качестве преобразователя прямого цикла, двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем, теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, теплообменником-охладителем, а также магистралью водопровода с регулирующим клапаном, разделяющейся на линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-охладитель в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга в пароводяной насос-подогреватель, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу- подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, идущей от пароводяного насоса-подогревателя, при этом, магистраль отработанных газов двигателя Стирлинга последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник- утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав автономной стирлинг-установки для одновременного производства электроэнергии и тепла двигателя Стирлинга, в качестве преобразователя прямого цикла, теплообменника-утилизатора высокотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, выполненного в виде парогенератора, пароводяного насоса-подогревателя, теплообменника-утилизатора низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, теплообменника-охладителя, а также, линий водопровода, проходящих, соответственно, через теплообменник-охладитель в парогенератор и через теплообменник-утилизатор низкотемпературных газов в пароводяной насос-подогреватель, магистрали пара высокого давления, магистрали системы горячего водоснабжения, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования теплоты системы охлаждения двигателя Стирлинга для теплоснабжения внешних потребителей тепла, а остаточного тепла отработанных газов двигателя Стирлинга для горячего водоснабжения, при этом вырабатывается пар высокого давления с целью его дальнейшего использования для замены сетевых насосов и теплообменных аппаратов в системе горячего водоснабжения, а часть воды из магистрали водопровода используется для снижения температуры охлаждающей жидкости для охлаждения двигателя Стирлинга.

На чертеже изображена автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла.

Автономная стирлинг-установка включает в себя двигатель Стирлинга 1 с камерой сгорания 2 и холодильником 3, магистраль отработанных газов 4, электрогенератор 5, расположенным на одном валу с двигателем 1, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов, выполненный в виде парогенератора 6, пароводяной насос-подогреватель 7, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 8, систему охлаждения 9 двигателя 1, проходящую через холодильник 3 и связанную через теплообменник 10 с системой внешнего теплоснабжения 11, линию водопроводной воды 12 с регулирующим клапаном 13, разделяющуюся на линию 14 с регулирующим клапаном 15 и теплообменником-охладителем 16, через который также проходит система охлаждения 9, проходящую в парогенератор 6, и линию 17 с регулирующим клапаном 18, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 8 в пароводяной насос-подогреватель 7, магистраль пара высокого давления 19, идущую от парогенератора 6 к пароводяному насосу-подогревателю 7, и магистраль 20 системы горячего водоснабжения. Для циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения 9 двигателя 1 предусмотрен насос 21.

Автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла работает следующим образом.

При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 5, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в холодильник 3 подается, с помощью насоса 21, охлажденная вода системы охлаждения 9. Для снятия тепловой нагрузки с двигателя 1 и достижения минимальной температуры охлаждающей жидкости, система охлаждения 9 связана через теплообменник 10 с системой внешнего теплоснабжения 11 и через теплообменник 16 с линией водопровода 14. Водопроводная вода, через регулирующий клапан 13, по магистрали 12 поступает в линии 14 и 17. Вода по линии водопровода 14 проходит через теплообменник-охладитель 16, где охлаждает охлаждающую жидкость системы охлаждения 9 двигателя 1 до минимальной температуры, при этом сама нагревается и поступает в парогенератор 6, где испаряется за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущими из камеры сгорания 2 по магистрали 4. Вода по линии 17 проходит через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 8, где нагревается остаточным теплом низкотемпературных отработанных газов, поступающих из парогенератора 6, и поступает в пароводяной насос- подогреватель 7, в который одновременно из парогенератора 6, по магистрали 19, поступает пар высокого давления. В пароводяном насосе-подогревателе 7, за счет особой конструкции и эффекта смешивания двухфазных парожидкостных сред происходит увеличение давления, интенсивное перемешивание пара и воды, с последующим получением горячей воды с высокой температурой (до 100 градусов Цельсия) и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 20 в систему горячего водоснабжения. Для регулирования расхода воды предусмотрены регулирующие клапаны 13, 15, 18.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141-142.

2. "Энергетика Петербурга"//газета//, N 5 (11), от 25.05.99 г.

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, СПб., 1997, стр. 140.

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

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

6. "Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16-17 - прототип.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД и снижение массогабаритных характеристик автономной установки в целом. При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 5, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в холодильник 3 подается вода из системы охлаждения 9, связанной с системой внешнего теплоснабжения 10 через теплообменник 9 и линией водопроводной воды 14 через теплообменник 16. Вода из магистрали водопровода 12 частично поступает в парогенератор 6 через теплообменник 16, частично в пароводяной насос-подогреватель 7 через теплообменник 8. Пар высокого давления из парогенератора 6 по магистрали 19 поступает в пароводяной насос-подогреватель 6, перемешивается с водой, поступающей из линии 17, образуя воду с высокой температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 20 системы горячего водоснабжения. Магистраль отработанных газов 4 из камеры сгорания 2 проходит через парогенератор 6 и теплообменник-утилизатор 8. 1 ил.

Автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающая в себя преобразователь прямого цикла (двигатель) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, отличающаяся тем, что снабжена в качестве преобразователя прямого цикла двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем, теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, теплообменником-охладителем, а также магистралью водопровода с регулирующим клапаном, разделяющуюся на линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-охладителем в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга в пароводяной насос-подогреватель, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, идущую от пароводяного насоса-подогревателя, при этом магистраль отработанных газов двигателя Стирлинга последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.