КОМБИНИРОВАННАЯ СТИРЛИНГ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕПЛА Российский патент 2003 года по МПК F02G5/02 F02G1/43 F02B65/00 

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 технологий 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 /, 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 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 Стирдинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (Заявка ЕПВ 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, 5, 1993, стр. 13). Однако данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора, а также она не предназначена для выработки пара и его использования во внешних системах 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., 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 установки в целом.

Для достижения этого технического результата комбинированная 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, контур охлаждения двигателя, связанный через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, снабжена, в качестве преобразователя прямого цикла, двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем, теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, теплообменником-охладителем, расположенным в контуре охлаждения двигателя Стирлинга, и магистралью подачи воздуха в камеру сгорания двигателя, проходящую через теплообменник-охладитель, а также замкнутой системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, магистрали горячей воды, идущей от пароводяного насоса-подогревателя к потребителям тепла, магистрали возврата охлажденной воды с теплообменником предварительного нагрева, идущей от потребителей тепла и разделяющейся на линию с регулирующим клапаном, идущую в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, идущую к пароводяному насосу-подогревателю, при этом магистраль возврата охлажденной воды внешней системы теплоснабжения связана с контуром охлаждения двигателя через теплообменник предварительного нагрева, а магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит, сначала, через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав комбинированной стирлинг-установки для одновременного производства электроэнергии и тепла двигателя Стирлинга, теплообменника-утилизатора высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненного в виде парогенератора, пароводяного насоса-подогревателя и теплообменника-утилизатора низкотемпературных отработанных газов двигателя, теплообменника-охладителя, расположенного в контуре охлаждения двигателя Стирлинга, и магистрали подачи воздуха в камеру сгорания двигателя, проходящую через теплообменник-охладитель, а также замкнутой системы магистралей с регулирующими клапанами, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности комплексного использования остаточного тепла отработанных газов двигателя и теплоты контура охлаждения двигателя для теплоснабжения внешних потребителей тепла, а также выработки пара высокого давления с целью его дальнейшего использования для замены сетевых насосов и теплообменных аппаратов в системе теплоснабжения и получение низкой температуры контура охлаждения двигателя Стирлинга.

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

Комбинированная 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, потребителей тепла 9, а также замкнутую систему магистралей, состоящую из магистрали пара высокого давления 10, идущей от парогенератора 6 к пароводяному насосу-подогревателю 7, магистрали горячей воды 11, идущей от пароводяного насоса-подогревателя 7 к потребителям тепла 9, магистрали возврата охлажденной воды 12 с теплообменником предварительного подогрева 13, идущей от потребителей тепла 9 и разделяющейся на линию 14 с регулирующим клапаном 15, идущую в парогенератор 6, и линию 16 с регулирующим клапаном 17, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 8, идущую к пароводяному насосу-подогревателю 7, контур охлаждения 18 двигателя 1, проходящий через холодильник 3, с насосом 19 и теплообменником-охладителем 20, связанного с магистралью 12 через теплообменник 13. В состав установки входит также магистраль подачи воздуха 21 в камеру сгорания 2, проходящую через теплообменник-охладитель 20, с выпуском в окружающую среду 22 и регулирующим клапаном 23. Магистраль отработанных газов 4 двигателя 1 последовательно проходит, сначала, через парогенератор 6, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 8.

Комбинированная 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 19, вода из контура охлаждения 18. Охладив двигатель 1, нагретая охлаждающая жидкость из холодильника 3, сначала, поступает в теплообменник 13, где охлаждается за счет теплообмена с возвратной водой внешней системы теплоснабжения, а затем, в теплообменник-охладитель 20, ее температура снижается до минимальной, за счет теплообмена с воздухом атмосферы. Возвратная охлажденная вода по магистрали 12 от потребителей 9, проходя через теплообменник 13, разделяется на линию 14, идущую в парогенератор 6 для производства пара высокого давления за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущими из камеры сгорания 2 по магистрали 4, и линию 16, идущую через теплообменник-утилизатор 8, где вода дополнительно нагревается остаточным теплом низкотемпературных отработанных газов, поступающих из парогенератора 6, в пароводяной насос-подогреватель 7. Одновременно из парогенератора 6, по магистрали 10, 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^oC) и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 11 внешним потребителям тепла 9 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 12, 14, 16. Для регулирования расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 15 и 17. Атмосферный воздух по магистрали 21 проходит через теплообменник 20, нагревается и поступает в камеру сгорания 2. Регулирование количества воздуха, подаваемого в камеру сгорания 2, осуществляется с помощью регулирующего клапана 23, расположенного на выпуске 22.

Источники информации
1. Авторское свид. 1677360. Бюллетень изобретений 34 от 15.4.91 г., с. 141-142.

2. "Энергетика Петербурга"//газета//. 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 5, СПб.. 1997, стр. 140.

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

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

6. "Строительное обозрение" /Журнал качества//, СПб., 5 (32), май-июнь 1999, с. 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 к.п.д. и снижение массогабаритных характеристик 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 предусмотрен контур охлаждения 18, связанный через теплообменник 13 с системой внешнего теплоснабжения и через теплообменник-охладитель 20 с магистралью подачи атмосферного воздуха 21. Вода из магистрали возврата 12 частично поступает в парогенератор 6, через который проходит магистраль отработанных газов 4, частично в пароводяной насос-подогреватель 7. Пар высокого давления из парогенератора 6 поступает в пароводяной насос-подогреватель 7, перемешивается с водой, поступающей из линии 16, образуя воду с высокой температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 11 вешним потребителям тепла 9 и дальнейшая циркуляция воды в магистралях 12, 14, 16. Для регулирования расхода воды по магистралям предусмотрены регулирующие клапаны 15, 17. 1 ил.

Комбинированная cтирлинг-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, контур охлаждения двигателя, связанный через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, отличающаяся тем, что снабжена в качестве преобразователя прямого цикла двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем, теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, теплообменником-охладителем, расположенным в контуре охлаждения двигателя Стирлинга, и магистралью подачи воздуха в камеру сгорания двигателя, проходящей через теплообменник-охладитель, а также замкнутой системой магистралей, обеспечивающей передачу тепла от двигателя к потребителям тепла и состоящей из магистрали пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, магистрали горячей воды, идущей от пароводяного насоса-подогревателя к потребителям тепла, магистрали возврата охлажденной воды с теплообменником предварительного нагрева, идущей от потребителей тепла и разделяющейся на линию с регулирующим клапаном, идущую в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, идущую к пароводяному насосу-подогревателю, при этом магистраль возврата охлажденной воды внешней системы теплоснабжения связана с контуром охлаждения двигателя через теплообменник предварительного нагрева, и магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.