Энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна Российский патент 2023 года по МПК B63H23/24 

Изобретение относится к дизелестроению и может быть использовано проектными организациями и судами речного флота, находящихся в эксплуатации.

Известны высокотемпературные тепловые насосы «Султангузин И.А., Потапова А.А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. - 2010. - №10. - С. 23-27» [1].

В статье представлен высокотемпературный двухступенчатый тепловой насос, который позволяет переносить тепло от более холодного тела к более горячему посредством испарения и конденсации, использовать теплоту практически всех окружающих сред: воды, воздуха, грунта. Теплонасосная установка передает потребителю в 3-5 раз больше энергии, чем затрачивают сами на ее передачу. В тепловом насосе используется экологически чистые технологии практически без выбросов вредных веществ в окружающую среду.

В тепловом насосе используется двухступенчатый компрессор, который в процессе его эксплуатации температуру рабочего вещества поддерживает в пределах 95-100°С. В конструкции теплового насоса тепловая энергия горячей воды используется только для отопления, что является основным недостатком данного устройства.

Известен также органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике. «Белов Г.В., Дорохова М.А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Машиностроение и компьютерные технологии. 2014. №2. URL:https://cyberleninka.ru/article/n/organicheskiy-tsikl-renkina-i-ego-primenenie-v-alternativnoy-energetike» [2].

Для утилизации низкопотенциальной энергии применяют цикл Ренкина с альтернативными рабочими телами, в качестве которых обычно используются органические вещества с более низкой, чем у воды, температурой кипения. Благодаря этому обстоятельству появляется возможность реализации органического цикла Ренкина при более низкой температуре.

Исследована термическая эффективность установки при температурах источника теплоты 100°С, 90°С, 80°С и 70°С. Показано, что при температуре источника тепловой энергии 80°С термический КПД может достигать 7,4%.

Наиболее близким техническим решением является «Патент №176333, Россия, МПК В63Н 23/24. Энергосберегающая установка речного судна/В.Н. Тимофеев, Н.Ф. Чесухин, Д.В. Тимофеев. Опубл. 17.01.18 в Бюл. №2.» [3].

Энергосберегающая установка речного судна, содержит главный судовой дизель с валогенератором, дизель-генератор, рабочие системы дизеля, пульт управления, главный распределительный щит, потребители электрической энергии, паровую турбину с генератором, тепловой насос. Тепловой насос через испаритель подключен к низкопотенциальному источнику энергии - забортной воде, выход - к паровой турбине с возможностью подключения: через генератор к главному распределительному щитку, а через конденсатор к тепловым потребителям и рабочим системам главного судового дизеля. Охлажденный низкопотенциальный (забортная вода) источник энергии подключен к рабочим системам главного судового дизеля.

Основным недостатком данного патента является то, что в тепловом насосе используется одноступенчатый компрессор, который в процессе его эксплуатации температуру рабочего вещества поддерживается в пределах 65°С. Эта температура является недостаточной для выработки электрической энергии.

Заявляемое изобретение решает задачу создания устройства для получения энергетических параметров судовой энергетической установки речного судна во время вынужденной его остановки вдали от населенных пунктов, где нет возможности подключиться к береговой сети.

Техническим результатом, достигнутым при этом, является обеспечение энергетическими параметрами: тепловой и электрической энергией при нерабочей судовой энергетической установке во время вынужденной остановки речного судна.

Технический результат достигается тем, что энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна, содержащее дизель-генератор, тепловой насос (ТН), органический цикл Ренкина (ОЦР), теплообменник, пульт управления, переключатель дизель-генератора, электрические насосы и трехходовые краны, каналы низкокипящего вещества ТН, каналы низкокипящего вещества ОЦР, каналы охлаждающей жидкости, каналы хладоносителя, каналы горячей воды и отопления и каналы электрической энергии, ОЦР представляет собой замкнутый цикл, который содержит испаритель ОЦР, паровую турбину, генератор, конденсатор ОЦР и электрический насос ОЦР, при этом ТН также представляет собой замкнутый цикл и сдержит испаритель ТН, двухступенчатый компрессор, конденсатор ТН и дроссельный вентиль, при этом оба замкнутых контура заправлены низкокипящим веществом (НВ). Кроме того, низкокипящее рабочее вещество органического цикла Ренкина подключено к паровой турбине, выход через конденсатор и насос связан с испарителем органического цикла Ренкина.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема энергосберегающего устройства судовой энергетической установки речного судна и содержит дизель-генератор 1, двухступенчатый компрессор 2, конденсатор теплового насоса (ТН) 3, испаритель теплового насоса (ТН) 4, испаритель ОЦР 5, турбину 6, генератор 7, конденсатор ОЦР 8, теплообменник 9, потребитель тепловой энергии 10, объект отопления 11, блок управления (БУ) 12, потребитель холода 13, потребитель электрической энергии 14, пульт управления 15, переключатель: 16 - дизель-генератора 1; 17 - двухступенчатого компрессора 2; клинкет 18; электрические насосы 19, 20, 21, 22; трехходовые краны 23, 24; дроссельный вентиль 25; невозвратный клапан 26; запорный клапан 27; каналы низкокипящего вещества ТН 28, 29, 30, 31; каналы низкокипящего вещества ОЦР 32, 33, 34, 35; каналы охлаждающей жидкости 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42; каналы хладоносителя 43, 44, 45; каналы горячей воды и отопления 46, 47, 48; 49, 50, 51; 52; каналы электрической энергии 53. 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62.

В предлагаемом устройстве ОЦР представляет собой замкнутый цикл, который содержит испаритель ОЦР 5; паровую турбину 6, генератор 7, конденсатор ОЦР 8, электрический насос ОЦР 19. Замкнутый контур заправляется низкокипящим веществом (НВ). При выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства; нетоксичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

ТН представляет собой замкнутый цикл, содержит испаритель ТН 4, двухступенчатый компрессор 2, конденсатор ТН 3, дроссельный вентиль 25. Замкнутый контур заправляется низкокипящим веществом (НВ). Аналогично, при выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства; нетоксичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.

Таким образом, в предлагаемом устройстве тепловая машина, работающая по циклу Ренкина, применяется для привода теплового насоса, которую можно назвать двойным циклом Ренкина, при этом в обоих контурах можно использовать одинаковое рабочее тело.

Основными элементами теплового насоса предлагаемого устройства являются двухступенчатый компрессор 2, конденсатор ТН 3, испаритель ТН 4. В ТН происходит теплообмен между низкокипящим веществом, циркулирующим в замкнутом контуре: двухступенчатый компрессор 2, канал 29, конденсатор ТН 3, канал 30, дроссельный вентиль 25, канал 31; и теплоносителем, циркуляция которого тоже происходит в замкнутом контуре: канал 46, конденсатор ТН 3, канал 49, трехходовой кран 23, где теплоноситель распадается на два потока: первый поток - второй патрубок трехходового крана 23, канал 51, электрический насос 20, канал 52, объект отопления 11; второй поток - третий патрубок трехходового крана 23, канал 50, испаритель ОЦР 5, канал 47, невозвратный клапан 26, канал 48, канал 46, где второй поток смешивается с первым потоком, и полученный теплоноситель поступает в конденсатор ТН 3 и цикл повторяется.

Таким образом, в устройстве происходит комбинированная работа теплового насоса с органическим циклом Ренкина.

В теплообменнике 9 происходит теплообмен с испарителем ТН 4, при этом полученный источник холода по каналам 43, 45 перекачивается электрическим насосом 22 потребителю холода 13.

Предлагаемое устройство служит для повышения топливной экономичности при вынужденных стоянках судна в ожидании выгрузки, погрузки груза, например речного песка, на стоянках при плохой видимости вдали от населенных пунктов, когда нет возможности подключиться к береговой сети и т.д.

В двухступенчатом компрессоре 2 происходит повышение температуры низкокипящего вещества - пара до 100°С и повышение его давления. Полученный пар поступает по каналу 29 в конденсатор ТН 3, где в результате теплообмена парообразного состояния НВ с отработанным теплоносителем, поступающим по каналам 46, 48 из объекта отопления 11 и испарителя ОЦР 5 осуществляется процесс фазового перехода НВ из парообразного состояния в жидкое за счет отвода тепла более холодному теплоносителю, при этом температура теплоносителя повышается и становится равной 95-98°С. Этот теплоноситель с температурой 95-98°С будет использован для его утилизации в системе отопления и в ОЦР, поэтому конденсатор 3 ТН становится теплообменником ОЦР.

Далее этот теплоноситель поступает по каналу 49 в трехходовой кран 23, где происходит распределение потока теплоносителя, через второй патрубок по каналу 51 и электрический насос 20, канал 52, объект отопления 11, а другая часть через третий патрубок трехходового крана 23 и канал 50 идет в испаритель ОЦР 5.

Энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна работает следующим образом.

Пусть речное судно в ожидании погрузки речного песка на карьере становится на якорь. Тогда судовой главный дизель останавливается (на рисунке главный судовой дизель не показан), а дизель-генератор 1 запускается нажатием на переключатель 16, который начинает вырабатывать электрическую энергию, которая поступает в потребитель электрической энергии 14. Далее нажатием на переключатель 17 запускается данное устройство, при этом открывается запорный вентиль 27, а в блок управления 12 по каналу 55 поступает электроэнергия. Блок управления 12 подачей электроэнергии по каналу 58 запускает двухступенчатый компрессор 2, а подачей электроэнергии по каналам 59, 60, 61, 62 запускает электрические насосы 19, 20, 21, 22.

По каналу 28 низкокипящее вещество поступает в виде пара в двухступенчатый компрессор ТН 2, который поднимает его давление и температуру, по каналу 29 пар подается в конденсатор ТН 3. Одновременно в конденсатор ТН 3 поступает теплоноситель из объекта отопления 11 и испарителя ОЦР 5. В результате теплообмена низкокипящего вещества и теплоносителя в конденсаторе ТН 3 происходит конденсация низкокипящего вещества и повышение температуры теплоносителя до 95-98°С. Полученный теплоноситель по каналу 49 поступает на первый патрубок трехходового крана 23 и происходит распределение горячего теплоносителя: через второй патрубок теплоноситель по каналу 51 направляется на объект отопления 11, а по каналу 50 - в испаритель ОЦР 5. Одновременно в испаритель ОЦР 5 по каналу 32 поступает низкокипящее вещество, где в результате теплообмена происходит испарение и превращение низкокипящего вещества в пар с высоким давлением, который по каналу 33 поступает в турбину 6, где в результате работы турбины 6 с генератором 7 происходит выработка электрической энергии, которая по каналу 53 поступит в потребитель электроэнергии 14. После этого происходит остановка дизель-генератора 1 и начинается повышение топливной экономичности эффективности СЭУ.

Отработанный пар из турбины 6 по каналу 34 поступает в конденсатор ОЦР 8, куда одновременно насосом 21 через канал 36 подается забортная вода и в результате теплообмена пар конденсируется, далее через канал 35, электрический насос 19 низкокипящее вещество продолжит свою циркуляцию. Забортная вода после теплообмена в конденсаторе 8 по каналам 37 и 41 поступит в потребитель теплоты 10.

А другая часть забортной воды через третий патрубок трехходового крана 24 по каналу 40 поступает в испаритель ТН 4, где в результате теплообмена с низкокипящим веществом происходит его кипение, полученный пар направляется по каналу 28 в двухступенчатый компрессор 2, а забортная вода из испарителя ТН 4 в канале 41 смешивается с потоком забортной воды, поступающим по каналу 37 и поступает в потребитель тепловой энергии 10. Отработанная вода по каналу 48 сливается за борт.

Низкокипящее вещество в испарителе ТН 4 в результате теплообмена с забортной водой происходит кипение низкокипящего вещества и превращение его в пар. Полученный пар поступает по каналу 29 в двухступенчатый компрессор 2, где в результате сжатия происходит увеличение его давления и температуры до 100°С. Полученный пар по каналу 36 поступает в конденсатор ОЦР 3, где в результате теплообмена с теплоносителем ОРЦ происходит его повышение температуры до 95-98°С.

В теплообменнике 9 происходит теплообмен хладоносителя с испарителем ТН 4, при этом полученный источник холода по каналам 43, 45 перекачивается электрическим насосом 23 потребителю холода 13.

Таким образом, предложенное энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна может быть использовано речными судами во время выполнения грузовых операций и вынужденных остановок, при этом энергетическая установка: главный судовой дизель, дизель-генератор и вспомогательная котельная установка во время выполнения грузовых операций и вынужденных остановок, находятся в нерабочем состоянии, что приводит к топливной экономичности СЭУ.

Источники информации

1. Султангузин И.А., Потапова А.А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. - 2010. - №10. - С. 23-27.

2. Белов Г.В., Дорохова М.А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Машиностроение и компьютерные технологии. 2014. №2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/organicheskiy-tsikl-renkina-i-ego-primenenie-v-alternativnoy-energetike (дата обращения: 20.10.2022).

3. Патент №176333, Россия, МПК В63Н 23/24. Энергосберегающая установка речного судна /В.Н. Тимофеев, Н.Ф. Чесухин, Д.В. Тимофеев. Опубл. 17.01.18 в Бюл. №2.

Изобретение относится к дизелестроению и может быть использовано проектными организациями и судами речного флота, находящимися в эксплуатации. Энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна содержит дизель-генератор, тепловой насос (ТН), органический цикл Ренкина (ОЦР), теплообменник, пульт управления, переключатель дизель-генератора, электрические насосы и трехходовые краны, каналы низкокипящего вещества ТН, каналы низкокипящего вещества ОЦР, каналы охлаждающей жидкости, каналы хладоносителя, каналы горячей воды и отопления и каналы электрической энергии. ОЦР представляет собой замкнутый цикл, который содержит испаритель ОЦР, паровую турбину, генератор, конденсатор ОЦР и электрический насос ОЦР. ТН также представляет собой замкнутый цикл и содержит испаритель ТН, двухступенчатый компрессор, конденсатор ТН и дроссельный вентиль. Оба замкнутых контура заправлены низкокипящим веществом (НВ). Достигается обеспечение энергетическими параметрами: тепловой и электрической энергией при нерабочей судовой энергетической установке во время вынужденной остановки речного судна. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна, содержащее дизель-генератор, тепловой насос (ТН), органический цикл Ренкина (ОЦР), теплообменник, пульт управления, переключатель дизель-генератора, электрические насосы и трехходовые краны, каналы низкокипящего вещества ТН, каналы низкокипящего вещества ОЦР, каналы охлаждающей жидкости, каналы хладоносителя, каналы горячей воды и отопления и каналы электрической энергии, отличающееся тем, что ОЦР представляет собой замкнутый цикл, который содержит испаритель ОЦР, паровую турбину, генератор, конденсатор ОЦР и электрический насос ОЦР, при этом ТН также представляет собой замкнутый цикл и содержит испаритель ТН, двухступенчатый компрессор, конденсатор ТН и дроссельный вентиль, при этом оба замкнутых контура заправлены низкокипящим веществом (НВ).

2. Энергосберегающее устройство судовой энергетической установки речного судна по п. 1, отличающееся тем, что низкокипящее рабочее вещество органического цикла Ренкина подключено к паровой турбине, выход через конденсатор и насос связан с испарителем органического цикла Ренкина.