СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА Российский патент 2025 года по МПК F02G1/43 F02G1/05 F28G1/16 B08B5/00 

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для утилизации вторичных энергетических ресурсов и генерации электрической энергии, в частности может быть использовано на котельных установках, блоках термической деструкции разного рода отходов, газотурбинных установках, тепловых электростанциях и установках для сжигания попутного нефтяного газа.

Известны способы получения электрической энергии из тепла вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). В качестве источника ВЭР, могут быть использованы различные типы котельных установок, блоки термической деструкции разного рода отходов, газотурбинные установки, тепловые электростанции и установки для сжигания попутного нефтяного газа. Электроэнергия, полученная из тепла ВЭР, может быть использована для подачи во внешнюю электросеть. Одним из способов получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания: является использование двигателя Стирлинга. Он обладает рядом преимуществ, в частности является герметизированным агрегатом, который не нуждается в техническом обслуживании и работает синхронно, обеспечивая стабильную отдаваемую мощность при низком уровне шума и вибрации.

Из уровня техники известен способ утилизации тепловой энергии, позволяющий преобразовать энергию отходящих газов промышленных установок в электрическую и энергию горячей воды с помощью пароперегревателя, экономайзера, турбины и генератора (RU2284416, опубл. 20.05.2006).

Недостатком данного изобретения является наличие котла-утилизатора, в котором часть энергии затрачивается на преобразование воды в пар, тепло ВЭР напрямую не используется для выработки электрической энергии.

Из патентной заявки на изобретение (RU 2645107, опубл. 15.02.2018) известна автономная микро-ТЭЦ на газовом топливе с использованием свободнопоршневого двигателя Стирлинга, включающая модуль электрогенерирующего устройства, в состав которого входит двигатель Стирлинга, основная газовая горелка, синхронный линейный генератор с постоянными магнитами и система охлаждения двигателя; а также модуль теплогенерирующего устройства, включающий теплогенератор, дополнительную газовую горелку и аварийный охладитель.

Недостатком данного изобретения является конструктивное разделение газовой горелки на две части - для нагрева головки двигателя Стирлинга и для нагрева теплогенератора, что влечет повышение конструктивной сложности и снижение КПД. Использование газа в качестве топлива приводит к повышению стоимости произведенной тепловой и электрической энергии.

Из патентной заявки на изобретение (RU 55431, опубл. 10.08.2006) известна установка когенерационная на базе двигателя внешнего сгорания, предназначенная для энергообеспечения потребителя тепловой и электрической энергиями, содержащая котел с дымоходом для отвода тепла продуктов горения топлива потребителю тепловой энергии и нагрева рабочей части двигателя внешнего сгорания, кинематически связанного с генератором электрической энергии, подключенным к потребителю электрической энергии.

Недостатки данного устройства заключаются в сложности установки и невысокой эффективности передачи тепла к теплообменнику двигателя внешнего сгорания посредством газообразных продуктов горения.

Из патентной заявки на изобретение (CN 104727871, опубл. 24.06.2015) известна установка выработки электроэнергии комбинированного цикла с использованием котла утилизатора, паровой турбины и двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует отработанный пар после паровой турбины, тем самым повышая эффективность системы выработки электроэнергии.

Недостатком указанного выше технического решения является работа двигателя Стирлинга от низкотемпературного источника тепла, так как одним из основных способов достижения высокого термического КПД паротурбинной установки является понижение параметров пара за турбиной. Также установка состоит из массогабаритного и дорогостоящего оборудования.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ выработки электрической энергии при помощи двигателя Стирлинга патент на изобретение (RU №2406853, опубл. 20.12.2010), при этом двигатель Стирлинга для своей работы использует или тепловые ВЭР, или тепло геотермальных источников, или солнечную энергию, или тепло пламени горящего топлива, при этом тепло подводится к нагревателю, цилиндрам с рабочим телом напрямую, с помощью отводов, или от газохода, или от паропровода, или от водопровода, с помощью тепловых труб, тепловых аккумуляторов. Согласно данному способу, предлагается конструкция, в которой вместо котельной установки используется прямоугольной формы общая камера сгорания, по бокам которой устанавливаются агрегаты двигатели Стирлинга, нагревателями внутрь камеры сгорания. Нагреватель или трубки нагревателя напрямую воспринимают инфракрасное и световое излучение раскаленных газов.

Недостатком указанного выше технического решения является его низкая эффективность, обусловленная тем, что нагревательные поверхности двигателя Стирлинга расположены в камере сгорания и имеют прямой контакт с раскаленными дымовыми газами. Так как, например, в процессе термического обезвреживания отходов могут образовываться расплавы солей повышенное содержание золы и сажи, то их отложения приводит к затруднению передачи тепла от раскаленных газов к нагревательной поверхности двигателя Стирлинга. Также недостатком является отсутствие системы очистки нагревательных поверхностей, без остановки технологического процесса.

Задача представленного изобретения направлена на создание экологически безопасного способа получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания от источника ВЭР с использованием двигателя Стирлинга при сохранении эффективности его работы.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности и эффективности работы двигателя Стирлинга, повышение эффективности теплообмена.

Технический результат достигается тем, что при реализации способа получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания с использованием двигателя Стирлинга, связанного с генератором электрической энергии, в котором тепло продуктов сгорания подводят к цилиндрам с рабочим телом с помощью теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга, расположенной в отводящем патрубке дымохода, поток продуктов сгорания после источника ВЭР направляют сначала через дымоход на газоочистное оборудование, а затем часть потока очищенных продуктов сгорания направляют из дымохода через отводящий патрубок на теплообменную нагревательную часть двигателя Стирлинга с помощью дымососа, который затем выводит отработанный поток продуктов сгорания обратно в дымоход, при этом:

- если температура продуктов сгорания после теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга ниже максимальной температуры эксплуатации дымососа, и если двигатель Стирлинга не выведен на требуемую мощность, то объем и скорость циркуляции потока продуктов сгорания регулируют путем изменения проходного сечения через клапан приводного отсекающего устройства, пока двигатель Стирлинга не будет выведен на требую мощность;

- если температура продуктов сгорания после теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга выше максимальной температуре эксплуатации дымососа, то перекрывают клапан приводного отсекающего устройства, отсечной клапан с электроприводом и, затем производят очистку теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга с помощью системы очистки теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга, например, используют пневмопушку.

Краткое описание чертежей:

На фиг. 1 - схематическое изображение способа получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания с использованием двигателя Стирлинга (А - полная схема, Б - фрагмент).

На фигурах использованы следующие обозначения:

1 - источник ВЭР;

2 - газоочистная установка;

3 - дымоход;

4 - отводящий патрубок;

5 - дымосос;

6 - приводное отсекающее устройство;

7 - отсечной клапан с электроприводом;

8 - теплообменная нагревательная часть двигателя Стирлинга;

9 - двигатель Стирлинга;

10 - генератор электрической энергии;

11 - система очистки теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга;

12 - термопреобразователь;

13 - датчик разряжения и избыточного давления;

14 - вытяжной вентилятор;

15 - дымовая труба.

На фиг. 1a представлено схематичное изображение способа получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания с использованием двигателя Стирлинга. Продукты сгорания от источника ВЭР (1) попадают через газоход в газоочистную установку 2, где происходит их очистка от частиц пыли, а затем очищенные продукты сгорания поступают в дымоход (3, фиг. 1б). В качестве источника ВЭР, могут быть использованы различные типы котельных установок, блоки термической деструкции разного рода отходов, газотурбинные установки, тепловые электростанции и установки для сжигания попутного нефтяного газа. На фиг. 1б дымоход (3) оборудован отводящим патрубком (4), который разделяет поток продуктов сгорания на две части. Дымосос (5, фиг. 1б) создает разряжение в отводящем патрубке (4), способствуя притоку дымовых газов в область пониженного давления. На отводящем патрубке (4) установлено два отключающих устройства: приводное отсекающее устройство (6) и отсекающий клапан с электроприводом (7). Приводное отсекающее устройство (6) позволяет в ручном или автоматическом режиме, за счет изменения диаметра проходного сечения через клапан регулировать расход продуктов сгорания, проходящих через теплообменную нагревательную часть двигателя Стирлинга (8). Отсекающий клапан с электроприводом (7) позволяет обеспечить надежность работы оборудования и дает возможность, совместно с приводным отсекающим устройством (6), полностью перекрыть поток продуктов сгорания через отводящий патрубок (4). Дымосос (5) обеспечивает необходимую скорость циркуляции дымовых газов через отводящий патрубок (4). В теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8), вмонтированной после приводного отсекающего устройства (6) в отводящий патрубок (4), происходит отбор тепловой мощности и далее после нагрева продуктами сгорания теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8), запопленной высокотеплопроводящим материалом, например гелием, разогретое внутри цилиндра рабочее тело создает давление, которое приводит поршень двигателя Стирлинга в движение, за счет чего происходит генерация электрической энергии. В целях поддержания высокой эффективности работы двигателя Стирлинга (9) предусмотрена система очистки (11) теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8) от сажи и копоти, расположенной в отводящем патрубке (4). Система очистки (11) представляет собой пневмопушку, состоящую из двух основных частей: ресивер и быстродействующий клапан. После открытия быстродействующего клапана, сжатый воздух истекает из ресивера со сверхзвуковой скоростью и генерирует ударную волну, которая встряхивает очищаемую поверхность. За теплообменной нагревательной частью двигателя Стирлинга (8) установлен термопреобразователь (12, фиг. 1б), который передает температуру продуктов сгорания на систему автоматического управления (САУ), за счет чего позволяет контролировать температуру продуктов сгорания перед дымососом (5).

Двигатель Стирлинга (9), кинематически связан с генератором электрической энергии (10) на фиг. 1а, электрический выход которого подключен к потребителю электрической энергии, начнет выработку электрической энергии за счет нагрева продуктами сгорания теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8) по принципу работы: чередование нагрева с одной стороны и охлаждения с другой рабочего тела внутри теплообменной нагревательной части (8) создает давление, которое приводит поршень в движение, за счет чего происходит генерация электрической энергии на электрогенераторе, расположенном на одном валу с двигателем Стирлинга (9).

После того, как первая часть потока продуктов сгорания прошла через отводящий патрубок (4), они с более низкой температурой втягиваются вытяжным вентилятором (14) обратно в дымоход (3), снижая температуру продуктов сгорания второй части потока. В целях контроля технологических параметров вытяжного вентилятора (14) и степени разряжения после слияния двух потоков дымовых газов в дымоходе (3), устанавливается датчик разряжения и избыточного давления (13). Датчик разряжения и избыточного давления (13) передает на систему автоматического управления (САУ) данные о давлении в дымоходе (3), далее сигнал поступает на частотный регулятор вытяжного вентилятора (14), который производит регулировку производительности вытяжного вентилятора (14) и поддержание заданного давления в дымоходе (3). Далее продукты горения поступают в дымовую трубу (15) и выбрасываются в атмосферу.

В случае, если температура продуктов сгорания после теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8) выше максимальной температуры эксплуатации дымососа (5), то это является признаком аварийной ситуации, которая может быть вызвана загрязнением сажей и копотью теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (8) или неисправностью двигателя Стирлинга (9), тогда САУ перекрывает клапан приводного отсекающего устройства (6), отсечной клапан (7) и затем производят очистку теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга с помощью системы очистки теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга (11).

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для утилизации вторичных энергетических ресурсов и генерации электрической энергии. Предложен способ получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания с использованием двигателя Стирлинга 9, кинематически связанного с генератором 10 электрической энергии, в котором тепло продуктов сгорания подводят к цилиндрам с рабочим телом с помощью теплообменной нагревательной части 8 двигателя Стирлинга, расположенной в отводящем патрубке 4 дымохода 3, при этом поток продуктов сгорания после источника вторичных энергетических ресурсов 1 направляют сначала через дымоход на газоочистное оборудование 2, а затем часть потока очищенных продуктов сгорания направляют из дымохода 3 через отводящий патрубок 4 на теплообменную нагревательную часть 8 двигателя Стирлинга 9 с помощью дымососа 5, который выводит затем отработанный поток продуктов сгорания обратно в дымоход 3. Технический результат - увеличение надежности и эффективности работы двигателя Стирлинга, повышение эффективности теплообмена. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения электрической энергии из тепла продуктов сгорания с использованием двигателя Стирлинга, кинематически связанного с генератором электрической энергии, в котором тепло продуктов сгорания подводят к цилиндрам с рабочим телом с помощью теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга, расположенной в отводящем патрубке дымохода, при этом поток продуктов сгорания после источника вторичных энергетических ресурсов направляют сначала через дымоход на газоочистное оборудование, а затем часть потока очищенных продуктов сгорания направляют из дымохода через отводящий патрубок на теплообменную нагревательную часть двигателя Стирлинга с помощью дымососа, который выводит затем отработанный поток продуктов сгорания обратно в дымоход, при этом:

если температура продуктов сгорания после теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга ниже максимальной температуры эксплуатации дымососа и если двигатель Стирлинга не выведен на требуемую мощность, то объем потока продуктов сгорания и скорость их циркуляции регулируют путем изменения проходного сечения через клапан приводного отсекающего устройства пока двигатель Стирлинга не достигнет требуемой мощности;

если температура продуктов сгорания после теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга выше максимальной температуры эксплуатации дымососа, то перекрывают клапан приводного отсекающего устройства, отсечной клапан с электроприводом и затем производят очистку теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга с помощью системы очистки теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга.

2. Способ получения электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что в системе очистки теплообменной нагревательной части двигателя Стирлинга используют пневмопушку.