ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2013 года по МПК F02G5/04 F02B43/10 F02B63/04 F01N3/36 

Техническое решение относится к машиностроению. Оно касается стационарной энергетической установки, вырабатывающей электрическую и тепловую энергию для снабжения поселков, сельскохозяйственных ферм, теплиц 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 изображенная 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 тепловой энергии. Однако в этой системе не используется тепловая энергия отработавших газов, покидающих термохимический реактор, и жидкости системы охлаждения двигателя, что снижает эффективность этой энергетической установки. Кроме того, в этой системе не производится очистка отработавших газов, из-за чего происходит загрязнение атмосферы содержащимися в них вредными веществами.

Задача - создание на базе теплового двигателя, использующего биотопливо, компактной энергетической установки, обеспечивающей при выработке электрической энергии более полную утилизацию тепловой энергии и снижение токсичности отработавших газов.

Решение задачи создания компактной энергетической установки повышенной эффективности для получения 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, над топливным баком расположен мостик, на котором по разные стороны генератора установлены пульт управления и инструментальный ящик, на пульте управления сбоку закреплен насос подачи биотоплива из топливного бака, сверху энергетической установки расположены термохимический реактор для получения из биотоплива синтез-газа и трубчатый теплообменник охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя, термохимический реактор содержит цилиндрический корпус, расположенный поперек энергетической установки в подогревателе, сделанном в виде барабана, вход в подогреватель сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход коленчатым трубопроводом сообщен с каталитическим нейтрализатором оксидов азота через смеситель примешивания синтез-газа и через трубчатый теплообменник нагрева отработавшими газами воды системы горячего водоснабжения, установленный вдоль энергетической установки, с другой стороны энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя, расположенный под скамейкой, а на скамейке установлена аккумуляторная батарея.

При таком выполнении энергетическая установка получилась компактной и удобной в обслуживании. В ней эффективно 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. При этом снижена токсичность отработавших газов путем примешивания к ним синтез-газа при их поступлении в каталитический нейтрализатор оксидов азота.

По разные стороны двигателя у радиатора размещены воздухоочиститель, расположенный в бочонке, установленном на полке фермы, закрепленной на раме, и нейтрализатор окислов азота, расположенный в баке, установленном над смесителем примешивания синтез-газа к отработавшим газам, над радиатором расположен расширительный бачок системы горячего водоснабжения потребителя, установленный на подставке, сделанной в виде скамейки, а под радиатором установлен водяной насос системы горячего водоснабжения.

На фигуре 1 представлена в аксонометрии энергетическая установка для получения электрической и тепловой энергии.

На фигуре 2 показан вид справа этой энергетической установки.

На фигуре 3 показана энергетическая установка спереди.

На фигуре 4 изображен вид энергетической установки сверху.

Энергетическая установка для получения электрической и тепловой энергией, 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. На пульте управления 6 сбоку закреплен насос 8 подачи биотоплива из топливного бака. Сверху энергетической установки расположены 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, закрепленный на подставке 11, сделанной в виде коробки. 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. Сбоку расположены напорный трубопровод 18 и трубопровод 19 возвращения воды от потребителя.

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 поперек 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 непосредственно под нейтрализатором оксидов азота на конце трубопровода 25.

Рядом с двигателем 1 около жидкостного радиатора 16 по другую сторону относительно бака 26 с расположенным в нем нейтрализатором окислов азота размещен воздухоочиститель, расположенный в бочонке 34, установленном на полке фермы 35, закрепленной на раме 3. Над радиатором 16 расположен расширительный бачок 36 системы горячего водоснабжения потребителя, установленный на подставке 37, сделанной в виде скамейки.

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°С, 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°С по напорному трубопроводу 18 поступает к потребителю и возвращается от него по трубопроводу 19.

Эта компактная энергетическая установка может успешно использоваться для снабжения электрической и тепловой энергией небольших поселков, теплиц, сельскохозяйственных ферм для их освещения и отопления горячей водой, в частности для сушки молока, зерна, фруктов. В этой энергетической установке 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 (4) с биотопливом, а сбоку генератора установлен пульт управления (6), на котором закреплен насос подачи биотоплива из топливного бака. Сверху энергетической установки расположены термохимический реактор (9) для получения из биотоплива синтез-газа и теплообменник (10) охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя. Реактор (9) содержит цилиндрический корпус, расположенный поперек энергетической установки в подогревателе (24), сделанном в виде барабана. Вход в него сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход коленчатым трубопроводом (25) сообщен с каталитическим нейтрализатором оксидов азота в отработавших газах через смеситель (33) примешивания синтез-газа и через теплообменник (12) нагрева отработавшими газами воды системы горячего водоснабжения, установленный вдоль энергетической установки. С другой стороны энергетической установки расположен теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя, расположенный под скамейкой. На скамейке установлена аккумуляторная батарея. Технический результат - обеспечение более полной утилизации тепловой энергии и снижение токсичности отработавших газов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетическая установка для получения электрической и тепловой энергии, содержащая двигатель внутреннего сгорания, использующий биотопливо, и электрический генератор, отличающаяся тем, что под генератором размещен топливный бак с биотопливом, над топливным баком расположен мостик, на котором по разные стороны генератора установлены пульт управления и инструментальный ящик, на пульте управления сбоку закреплен насос подачи биотоплива из топливного бака, сверху энергетической установки расположены термохимический реактор для получения из биотоплива синтез-газа и трубчатый теплообменник охлаждения синтез-газа водой системы горячего водоснабжения потребителя, термохимический реактор содержит цилиндрический корпус, расположенный поперек энергетической установки в подогревателе, сделанном в виде барабана, вход в подогреватель сообщен с коллектором выпуска из двигателя отработавших газов, а выход коленчатым трубопроводом сообщен с каталитическим нейтрализатором оксидов азота через смеситель примешивания синтез-газа и через трубчатый теплообменник нагрева отработавшими газами воды системы горячего водоснабжения, установленный вдоль энергетической установки, с другой стороны энергетической установки вдоль нее расположен трубчатый теплообменник нагрева воды системы горячего водоснабжения жидкостью системы охлаждения двигателя, расположенный под скамейкой, а на скамейке установлена аккумуляторная батарея.

2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что по разные стороны двигателя у радиатора размещены воздухоочиститель, расположенный в бочонке, установленном на полке фермы, закрепленной на раме, и нейтрализатор окислов азота, расположенный в баке, установленном над смесителем примешивания синтез-газа к отработавшим газам, над радиатором расположен расширительный бачок системы горячего водоснабжения потребителя, установленный на подставке, сделанной в виде скамейки, а под радиатором установлен водяной насос системы горячего водоснабжения.