ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЕЙ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ И СОЦИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК F02G5/04 F02B43/10 F02B63/04 F01N3/36 

Техническое решение относится к машиностроению. Оно касается энергетической установки, вырабатывающей электрическую и тепловую энергию для снабжения поселков, сельскохозяйственных ферм, теплиц и других хозяйственных и социальных объектов электрической энергией и горячей водой.

Для уменьшения потребления топлива нефтяного происхождения и улучшения экологии созданы энергетические установки, показанные в охранных документах №№10009892, 10106354, 10138181, опубликованных в ФРГ, №1130242, 1281856, 1357277, опубликованных ЕПВ, которые используют биотопливо, в частности растительное масло, превращаемое в синтетический газ.

Более близким аналогом является представленная в патенте РФ №2046979, МПК F02G 5/00, система утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания на электростанции, содержащая термохимический реактор для получения из метанола синтез-газа путем регенерации теплоты отработавших газов, теплообменники для передачи тепловой энергии от отработавших газов и от синтез-газа воде горячего водоснабжения потребителей. Однако в этой системе не используется тепловая энергия отработавших газов, покидающих термохимический реактор, и жидкости системы охлаждения двигателя, что снижает эффективность энергетической установки.

Задача - создание компактной энергетической установки, обеспечивающей более полную утилизацию вырабатываемой энергии при использовании биотоплива для получения электрической и тепловой энергии.

Решение задачи создания компактной энергетической установки повышенной эффективности для получения для бытовых нужд электрической и тепловой энергии обеспечено тем, что в энергетической установке, содержащей двигатель внутреннего сгорания, использующий биотопливо, и электрический генератор, под генератором размещен топливный бак с биотопливом, а сверху энергетической установки расположены насос подачи биотоплива из топливного бака, термохимический реактор для получения из биотоплива синтез-газа, обогреваемый отработавшими газами двигателя, и трубчатый теплообменник охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя, размещенные на П-образной стойке, закрепленной на раме, сбоку энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева отработавшими газами двигателя воды системы горячего водоснабжения, с другой стороны энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя.

В этой энергетической установке, характеризуемой приведенной совокупностью признаков, используется тепловая энергия и системы охлаждения двигателя, и его отработавших газов, тепловая энергия которых используется для нагревания воды системы горячего водоснабжения потребителя и для запуска и поддержания рабочей температуры термохимического реактора, совершающего конверсию биотоплива в синтез-газ, что повышает ее эффективность.

Термохимический реактор содержит цилиндрический корпус с крышкой, в которой установлена форсунка, сообщенная топливопроводом с насосом подачи биотоплива, корпус реактора расположен вдоль энергетической установки в обогревателе, сделанном в виде барабана, вход в него сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход сообщен коленчатым трубопроводом через теплообменник нагрева воды с каталитическим нейтрализатором оксидов азота в отработавших газах двигателя, расположенным в баке, установленном около двигателя, теплообменник охлаждения синтез-газа расположен параллельно корпусу реактора и его вход сообщен с реактором дугообразным трубопроводом, а выход сообщен топливопроводами с системой питания двигателя и со смесителем примешивания синтез-газа к отработавшим газам, расположенным под нейтрализатором оксидов азота. При таком выполнении энергетической установки синтез-газ после его охлаждения в теплообменнике нагрева воды системы горячего водоснабжения используется для питания двигателя и частично подается в отработавшие газы перед их поступлением в каталитический нейтрализатор, снижающий токсичность отработавших газов путем восстановления в них оксидов азота, что улучшает экологию окружающей среды.

Для повышения компактности энергетической установки теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя размещен под скамейкой, установленной на раме, а на скамейке установлена аккумуляторная батарея.

На фигуре 1 показана слева энергетическая установка для снабжения электрической и тепловой энергией хозяйственных и социальных объектов.

На фигуре 2 показана энергетическая установка спереди.

На фигуре 3 показана энергетическая установка справа.

На фигуре 4 изображен вид энергетической установки сверху.

Энергетическая установка для снабжения электрической и тепловой энергией хозяйственных и социальных объектов, представленная на фигурах 1-4, содержит двухрядный двигатель внутреннего сгорания 1 и электрический генератор 2, установленные на раме 3. Под генератором 2 размещен топливный бак 4 с биотопливом. Над топливным баком расположен мостик 5, на котором по разные стороны генератора 2 установлены пульт управления 6 и инструментальный ящик 7. Сверху энергетической установки расположены насос 8 подачи биотоплива из топливного бака 4, термохимический реактор 9 для получения из биотоплива синтез-газа, обогреваемый отработавшими газами двигателя, и трубчатый теплообменник 10 охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя, показанной в заявке №2010120953 на выдачу патента Российской Федерации. Насос 8 подачи биотоплива, термохимический реактор 9 и теплообменник 10 охлаждения синтез-газа размещены на П-образной стойке 11, расположенной поперек энергетической установки и закрепленной на ее раме 3. Сбоку энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник 12 нагрева отработавшими газами двигателя воды системы горячего водоснабжения перед ее поступлением в теплообменник 10 охлаждения синтез-газа. С другой стороны энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник 13 нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя. Теплообменник 13 нагрева воды системы горячего водоснабжения расположен под скамейкой 14, закрепленной на раме 3, а на скамейке 14 установлена аккумуляторная батарея 15. Под резервным жидкостным радиатором 16 расположен водяной насос 17 подачи горячей воды потребителю, напорный трубопровод 18 и трубопровод 19 возвращения воды от потребителя после отдачи ею тепловой энергии.

Термохимический реактор 9 получения из биотоплива синтез-газа содержит цилиндрический корпус 20 с крышкой 21. В крышке 21 установлена форсунка 22, сообщенная топливопроводом 23 с насосом 8 подачи биотоплива. Корпус 20 реактора 9 расположен вдоль энергетической установки в обогревателе 24, сделанном в виде барабана, охватывающего реактор торцевыми стенками. Вход в обогреватель 24 сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход коленчатым трубопроводом 25 через теплообменник 12 нагрева воды отработавшими газами сообщен с каталитическим нейтрализатором оксидов азота в отработавших газах двигателя. Каталитический нейтрализатор расположен в баке 26, установленном около двигателя 1. Теплообменник 10 охлаждения синтез-газа расположен параллельно корпусу 20 реактора 9. Его вход сообщен с реактором 9 дугообразным трубопроводом 27. Выход сообщен топливопроводом 28 через электромагнитный клапан 29 с впускным коллектором 30 двигателя для смешения синтез-газа с воздухом и, кроме того, сообщен топливопроводом 31 через электромагнитный клапан 32 со смесителем 33, предназначенным для примешивания синтез-газа к отработавшим газам для нейтрализации оксидов азота. Смеситель 33 расположен под баком 26 нейтрализатора на конце трубопровода 25.

При работе энергетической установки происходит привод двигателем 1 электрического генератора 2, который производит электрическую энергию для нужд потребителя. При этом тепловая энергия, выделяющаяся при работе двигателя в системе его охлаждения и с отработавшими газами, используется для нагрева воды в системе горячего водоснабжения потребителя. Во время работы двигателя 1 форсункой 22 подается биотопливо в термохимический реактор 9, нагреваемый отработавшими газами. В реакторе 9 в присутствии катализатора под действием высокой температуры из биотоплива образуется синтез-газ, содержащий молекулы водорода и оксида углерода. Из реактора 9 горячий синтез-газ, имеющий температуру 600…900°C, проходит по трубопроводу в теплообменник 10, в котором он охлаждается водой, циркулирующей в системе горячего водоснабжения потребителя тепла. Из теплообменника 10 охлажденный синтез-газ по топливопроводу 28 поступает во впускной коллектор 30 двигателя. Часть синтез-газа по топливопроводу 31 проходит в смеситель 33. В смесителе 33 синтез-газ примешивается к отработавшим газам двигателя после их охлаждения в теплообменнике 12 водой горячего водоснабжения потребителя. Смесь охлажденных отработавших газов и синтез-газа проходит в расположенный в баке 26 каталитический нейтрализатор, в котором происходит разложение оксидов азота, образующихся в цилиндрах двигателя при его работе.

При снабжении потребителя тепловой энергией используемая в качестве теплоносителя очищенная вода циркулирует в системе горячего водоснабжения с помощью водяного насоса 17, от которого она проходит сначала через теплообменник 13, в котором она нагревается горячей жидкостью, циркулирующей в системе охлаждения двигателя 1. Затем вода проходит через теплообменник 10, в котором она нагревается теплом, получаемым от горячего синтез-газа. После этого вода проходит через теплообменник 12, в котором ей сообщается тепловая энергия отработавших газов при их охлаждении перед поступлением в нейтрализатор оксидов азота. От теплообменника 12 горячая вода при температуре порядка 90°C по напорному трубопроводу 18 поступает к потребителю и возвращается от него по трубопроводу 19.

Эта компактная энергетическая установка может использоваться для снабжения электрической и тепловой энергией поселков, сельскохозяйственных ферм, теплиц для их освещения и отопления горячей водой. В ней эффективно используется тепловая энергия системы охлаждения двигателя и его отработавших газов, тепловая энергия которых сначала используется для запуска и поддержания рабочей температуры термохимического реактора, осуществляющего конверсию биотоплива в синтез-газ, а затем для нагревания воды системы горячего водоснабжения. Причем синтез-газ после его охлаждения в теплообменнике нагрева воды используется для питания двигателя и частично подается в отработавшие газы, поступая с ними в каталитический нейтрализатор оксидов азота, снижающий с помощью синтез-газа токсичность отработавших газов для улучшения экологии окружающей среды.

Изобретение может быть использовано в машиностроении, в частности в энергетических установках, вырабатывающих электрическую и тепловую энергии. Энергетическая установка содержит двигатель внутреннего сгорания (1), использующий биотопливо, и электрический генератор (2). Под генератором размещен топливный бак с биотопливом. Сверху энергетической установки на П-образной стойке (11) расположены насос подачи биотоплива из топливного бака, термохимический реактор (9) для получения из биотоплива синтез-газа, обогреваемый отработавшими газами двигателя, и трубчатый теплообменник (10) охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя. Сбоку энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник (12) нагрева отработавшими газами двигателя воды системы горячего водоснабжения. С другой стороны энергетической установки расположен трубчатый теплообменник (13) нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя. Технический результат - более полная утилизация вырабатываемой энергии с обеспечением компактности энергетической установки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетическая установка для снабжения электрической и тепловой энергией хозяйственных и социальных объектов, содержащая двигатель внутреннего сгорания, использующий биотопливо, и электрический генератор, отличающаяся тем, что под генератором размещен топливный бак с биотопливом, а сверху энергетической установки расположены насос подачи биотоплива из топливного бака, термохимический реактор для получения из биотоплива синтез-газа, обогреваемый отработавшими газами двигателя, и трубчатый теплообменник охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя, размещенные на П-образной стойке, закрепленной на раме, сбоку энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева отработавшими газами двигателя воды системы горячего водоснабжения, с другой стороны энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя.

2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что термохимический реактор содержит цилиндрический корпус с крышкой, в которой установлена форсунка, сообщенная топливопроводом с насосом подачи биотоплива, корпус реактора расположен вдоль энергетической установки в обогревателе, сделанном в виде барабана, вход в него сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход сообщен коленчатым трубопроводом через теплообменник нагрева воды с каталитическим нейтрализатором оксидов азота в отработавших газах двигателя, расположенным в баке, установленном около двигателя, теплообменник охлаждения синтез-газа расположен параллельно корпусу реактора, и его вход сообщен с реактором дугообразным трубопроводом, а выход сообщен топливопроводами с системой питания двигателя и со смесителем примешивания синтез-газа к отработавшим газам, расположенным под нейтрализатором оксидов азота.

3. Энергетическая установка по п.2, отличающаяся тем, что теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя размещен под скамейкой, установленной на раме, а на скамейке установлена аккумуляторная батарея.