ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F02G5/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (далее «двигатель»), преимущественно к дизель-агрегатам тепловозов железных дорог, и предназначено для повышения энергетической эффективности за счет наиболее полного использования тепла их отработавших газов и тепла систем охлаждения в целях дополнительной выработки электроэнергии.

Известно устройство для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2188332), содержащее последовательно соединенные парогенератор, сепаратор пара с паровой и жидкостной полостями, паровую турбину, конденсатор пара, емкость сбора конденсата и циркуляционный насос, снабженный обводным каналом с установленным в нем регулируемым дросселем, управляемым датчиком уровня жидкости, при этом жидкостная полость сепаратора пара снабжена измерительной емкостью с размещенным в ней датчиком уровня жидкости и сообщенной с емкостью сбора конденсата через калиброванное отверстие.

К недостаткам устройства для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания можно отнести следующие: сложность конструкции и большие габаритные размеры пароперегревателя из-за поверхностного теплообменника, вызывающие трудности его применения на транспортных установках, и потери теплоты при теплопередаче в поверхностном теплообменнике при конвективном теплообмене по сравнению с жидкоструйным эжектором турбины, в котором теплообмен происходит смешением отработавших газов двигателя и конденсата.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является установка для утилизации тепловой энергии (патент РФ №68599), содержащая контур циркуляции охлаждающей воды, который состоит из рубашки охлаждения двигателя, циркуляционного насоса рубашки охлаждения двигателя, подключенного нагнетательным патрубком к ее входу и пароотделитель, впуск которого через редукционный вентиль соединен с выходом рубашки охлаждения двигателя, а выход через обратный клапан соединен с пароперегревателем, установленным в магистрали выпуска отработавших газов двигателя и соединенным выпускным патрубком с паровой турбиной, выходной патрубок которой соединен со входом конденсатора. Дополнительно содержит высоконапорный насос и двухфазный (струйный) эжектор, имеющий вход по пару и вход по жидкости. Выходной патрубок паровой турбины соединен с входом по пару двухфазного эжектора. Выход конденсатора соединен со входом высоконапорного насоса, выход которого соединен со входом по жидкости двухфазного эжектора. Выход двухфазного эжектора соединен со входом циркуляционного насоса, который также соединен с водяной полостью пароотделителя с помощью трубопровода. В установке предусмотрено воздушное охлаждение конденсатора с помощью вентилятора. В качестве нагрузки к паровой турбине подключен электрогенератор.

Установка для утилизации тепловой энергии (прототип) имеет следующие недостатки:

- малое количество пара, получаемого за счет внутреннего теплосодержания воды, при ее дросселировании в редукционном вентиле, так как необходимая для парообразования теплота более чем в пять раз больше, чем теплосодержание воды, поступающей из рубашки охлаждения контура циркуляции охлаждающей воды двигателя, что снижает выработку установкой электроэнергии; дополнительно к этому, конвективный способ передачи теплоты в пароперегревателе не обеспечивает полную передачу теплоты от отработавших газов двигателя к пару, в результате чего значительная часть ее теплоты удаляется в атмосферу и не используется для его перегрева и выработки электроэнергии.

- сложная система генерирования пара для паровой турбины, включающая редукционный вентиль, пароотделитель, пароперегреватель и обратный клапан, работающий в постоянном прерывистом режиме, усложняют структурную схему установки, снижают надежность работы и увеличивают ее габариты;

- отсутствует удаление из конденсатора неконденсирующихся газов, что может привести к их накоплению в контуре циркуляции охлаждающей воды, а следовательно, к ухудшению теплообменных процессов в конденсаторе и рубашке охлаждения двигателя, и в конечном счете, к снижению КПД установки.

Задачей изобретения является разработка более эффективной энергоустановки для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, с увеличенной, благодаря полному использованию теплоты отработавших газов двигателя, выработкой электроэнергии, уменьшенными габаритными размерами, а также с повышенным КПД и большей надежностью.

Техническим результатом изобретения является:

- увеличение выработки электроэнергии за счет использования всей массы и теплосодержания отработавших газов двигателя внутреннего сгорания в результате более полной передачи теплоты от отработавших газов к конденсату при протекании тепло- и массообменных процессов в жидкоструйном эжекторе турбины, а также благодаря использованию дополнительного количества теплоты, получаемого посредством рекуперативного теплообменника от рубашки охлаждения двигателя внутреннего сгорания;

- упрощение схемы, уменьшение габаритов, повышение КПД и надежности работы энергоустановки, благодаря применению жидкоструйного эжектора турбины вместо ряда устройств у прототипа: редукционного вентиля, пароотделителя, обратного клапана и пароперегревателя.

Технический результат изобретения достигается с помощью энергоустановки для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, содержащей жидкоструйный эжектор турбины, вход по жидкости которого соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса, установленного после конденсатора, электрогенератор, установленный на одном валу с турбиной, выход которой соединен с входом конденсатора, охлаждаемого с помощью вентилятора, редукционный вентиль, контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, включающий рубашку охлаждения и циркуляционный насос, рекуперативный теплообменник, установленный в рубашку охлаждения таким образом, что вход в его обогревающую часть соединен с выходом рубашки охлаждения, а выход из обогревающей части через циркуляционный насос соединен с входом рубашки охлаждения, в свою очередь вход по обогреваемой части соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса, а выход по обогреваемой части соединен с входом по жидкости жидкоструйного эжектора турбины, вход по газу жидкоструйного эжектора турбины соединен с выходом отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания, а выход соединен с входом турбины, при этом вход конденсатора сообщен с входом по пару жидкоструйного эжектора конденсатора, вход по конденсату которого соединен через редукционный вентиль с выходом высоконапорного конденсатного насоса, а выход жидкоструйного эжектора конденсатора соединен с входом сепаратора, выход по газу которого соединен через трубу с атмосферой, а выход по жидкости соединен с входом высоконапорного конденсатного насоса.

По результатам проектных расчетов производство дополнительного количества электрической энергии в результате использования утилизации тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (например, дизель-агрегата) тепловоза и части теплоты от его системы охлаждения составляет до 4%, что представляет практический интерес для получения дополнительной мощности либо для снижения удельного эффективного расхода топлива.

На чертеже представлена принципиальная схема энергоустановки для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

Энергоустановка для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 1 состоит из контура циркуляции охлаждающей жидкости, включающего рубашку охлаждения 2, циркуляционный насос 3 и рекуперативный теплообменник 4, установленный в рубашку охлаждения 2 таким образом, что вход в его обогревающую часть соединен с выходом рубашки охлаждения 2, а выход из обогревающей части через циркуляционный насос 3 соединен с входом рубашки охлаждения 2. В свою очередь, вход по обогреваемой части рекуперативного теплообменника 4 соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса 5, а выход по обогреваемой части соединен с входом по жидкости жидкоструйного эжектора турбины 6, при этом вход по газу жидкоструйного эжектора турбины 6, соединен с выходом отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания 1. Выход из жидкоструйного эжектора турбины 6 соединен с входом турбины 7, установленной на одном валу с электрогенератором 8, а выход турбины 7 соединен с входом конденсатора 9, охлаждаемого с помощью вентилятора 10. Для удаления неконденсирующихся газов из конденсатора 9 вход по пару жидкоструйного эжектора конденсатора 11 соединен с конденсатором 9, вход по конденсату соединен через редукционный вентиль 12 с выходом высоконапорного конденсатного насоса 5, а выход жидкоструйного эжектора конденсатора 11 соединен с входом сепаратора 13, выход по жидкости которого соединен с входом высоконапорного конденсатного насоса 5, а выход по газу через трубу 14 сообщен с атмосферой.

Необходимость создания предлагаемого изобретения диктуется потребностью в рекуперации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и теплоты контура циркуляции охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания (например, дизель-агрегата) большой мощности для получения дополнительного количества электроэнергии. Все основные устройства, входящие в состав схемы предлагаемого изобретения освоены в промышленности, что подтверждает осуществимость их промышленного производства и внедрения.

Энергоустановка для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом.

Отработавшие газы из двигателя внутреннего сгорания 1 поступают на вход по газу в жидкоструйный эжектор турбины 6, а на вход по жидкости жидкоструйного эжектора турбины 6 высоконапорным конденсатным насосом 5 через обогреваемую часть рекуперативного теплообменника 4 подается конденсат (нагреваемая среда), который нагревается через теплообменную стенку в рекуперативном теплообменнике 4 теплотой, передаваемой от охлаждающей жидкости контура циркуляции охлаждающей жидкости, подача которого в обогревающую часть рекуперативного теплообменника 4 осуществляется циркуляционным насосом 3 через рубашку охлаждения 2. Передаваемая часть теплоты конденсату от охлаждающей жидкости способствует увеличению выработки электроэнергии энергоустановки. Использование одного простого по конструкции жидкоструйного эжектора турбины 6 вместо четырех устройств: сложных пароперегревателя и пароотделителя, а также редукционного вентиля и обратного клапана, позволяет увеличить КПД, повысить надежность и уменьшить габариты энергоустановки для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

На входе по жидкости в жидкоструйный эжектор турбины 6 конденсат, имеющий высокое давление, эжектирует все отработавшие газы двигателя, где в результате взаимного обмена кинетической энергией струи конденсата и теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания 1 при их смешения в жидкоструйном эжекторе турбины 6 образуется парогазовая смесь высокой температуры, благодаря которой повышается мощность турбины, в результате чего увеличивается выработка электроэнергии и КПД установки. После жидкоструйного эжектора турбины парогазовая смесь высокой температуры подается в турбину 7, где происходит ее расширение и превращение на лопатках рабочего колеса турбины 7 в механическую работу, которая в электрогенераторе 8, установленному на одном валу с турбиной 7, преобразуется в электрическую энергию.

Отработавшая в турбине 7 высокотемпературная парогазовая смесь поступает в конденсатор 9, охлаждаемый воздухом с помощью вентилятора 10. Для улучшения условий конденсации не сконденсировавшиеся газы из конденсатора 9 удаляются с помощью жидкоструйного эжектора конденсатора 11, на вход по конденсату которого под большим давлением в камеру смешения подается через сопло с большой скоростью конденсат, расход которого настраивается редукционным вентилем 12. Под действием разрежения, созданного струей конденсата, в камере смешения жидкоструйного эжектора конденсатора 11 из конденсатора 9 эжектируется паровоздушная смесь. После смешения, полученная в жидкоструйном эжекторе конденсатора 11, смесь подается в сепаратор 13, где происходит ее разделение на конденсат и газ, при этом конденсат поступает на вход высоконапорного конденсатного насоса 5, а газ через трубу 14 выходит в атмосферу.

Для замыкания цикла высоконапорный конденсатный насос 5 через обогреваемую часть рекуперативного теплообменника 4, получив теплоту от охлаждающей жидкости рубашки охлаждения 2 двигателя внутреннего сгорания 1, нагнетает конденсат на вход по жидкости в жидкоструйный эжектор турбины 6. На этом цикл замыкается.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Энергоустановка для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания содержит турбину (7), жидкоструйный эжектор (6) турбины, конденсатный насос (5), конденсатор (9), электрогенератор (8), редукционный вентиль (12) и контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя (1) внутреннего сгорания. Вход по жидкости жидкоструйного эжектора (6) соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса (5), установленного после конденсатора (9). Электрогенератор (8) установлен на одном валу с турбиной (7), выход которой соединен с входом конденсатора (9), охлаждаемого с помощью вентилятора (10). Контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя (1) внутреннего сгорания включает рубашку (2) охлаждения и циркуляционный насос (3). Имеется рекуперативный теплообменник (4), установленный в рубашку (2) охлаждения таким образом, что вход в его обогревающую часть соединен с выходом рубашки (2) охлаждения, а выход из обогревающей части через циркуляционный насос (3) соединен с входом рубашки (2) охлаждения. Вход по обогреваемой части соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса (5), а выход по обогреваемой части соединен с входом по жидкости жидкоструйного эжектора (6) турбины. Вход по газу жидкоструйного эжектора (6) турбины соединен с выходом отработавших газов из двигателя (1) внутреннего сгорания, а выход соединен с входом турбины (7). Вход конденсатора сообщен с входом по пару жидкоструйного эжектора конденсатора. Вход по конденсату конденсатора (9) соединен через редукционный вентиль (12) с выходом высоконапорного конденсатного насоса (5). Выход жидкоструйного эжектора (11) конденсатора соединен с входом сепаратора (13). Выход по газу сепаратора (13) соединен через трубу (14) с атмосферой, а выход по жидкости соединен с входом высоконапорного конденсатного насоса (5). Технический результат заключается в повышении использования теплоты отработавших газов двигателя. 1 ил.

Энергоустановка для утилизации тепловой энергии отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, содержащая жидкоструйный эжектор турбины, вход по жидкости которого соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса, установленного после конденсатора, электрогенератор, установленный на одном валу с турбиной, выход которой соединен с входом конденсатора, охлаждаемого с помощью вентилятора, редукционный вентиль, контур циркуляции охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, включающий рубашку охлаждения и циркуляционный насос, отличающаяся тем, что дополнительно содержит рекуперативный теплообменник, установленный в рубашку охлаждения таким образом, что вход в его обогревающую часть соединен с выходом рубашки охлаждения, а выход из обогревающей части через циркуляционный насос соединен с входом рубашки охлаждения, в свою очередь вход по обогреваемой части соединен с выходом высоконапорного конденсатного насоса, а выход по обогреваемой части соединен с входом по жидкости жидкоструйного эжектора турбины, вход по газу жидкоструйного эжектора турбины соединен с выходом отработавших газов из двигателя внутреннего сгорания, а выход соединен с входом турбины, при этом вход конденсатора сообщен с входом по пару жидкоструйного эжектора конденсатора, вход по конденсату которого соединен через редукционный вентиль с выходом высоконапорного конденсатного насоса, а выход жидкоструйного эжектора конденсатора соединен с входом сепаратора, выход по газу которого соединен через трубу с атмосферой, а выход по жидкости соединен с входом высоконапорного конденсатного насоса.