Устройство адаптации теплового насоса (ТН) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС)

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности работы теплового насоса с двигателем внутреннего сгорания.
Известен тепловой насос [Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» - 2006. - 220 с.], в основе работы которого заложен обратный закон Карно. Его следствием является возможность утилизации низкотемпературной тепловой энергии для целей теплоснабжения. Для работы теплового насоса необходимо иметь низкотемпературный источник тепловой энергии, например: водоемы, в которых тепловая энергия забирается из придонной области; артезианские колодцы, в которых тепловая энергия забирается от воды в скважинах; вытяжная вентиляторная установка, в которой тепловая энергия забирается у отработанного воздуха.
Недостатком [Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» - 2006. - 220 с.] является невозможность их использования при создании мобильных автономных устройств.
Известны генерирующие комплексы [Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России // Энергетик. - 2008. №1. - С. 5.], эксплуатирующиеся зарубежом. К их числу можно отнести мини-ТЭЦ с тепловыми элементами на водороде (США, штат Аляска), энергетический комплекс МТ-100 на основе газовой турбины и теплообменника-утилизатора (ABB's and VOLVO's), газопоршневая установка (GE Linebacker), установка HP 78 Т (Hacker und Partner), вырабатывающая электрическую и тепловую энергии мощностью 78 кВт и 117 кВт соответственно.
Недостатком [Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России // Энергетик. - 2008. №1. - С. 5.] является то, что установки не обладают высокой энергоэффективностью. Это связано с тем, что согласно принципу Карно выработка механической энергии на этих установках происходит с низким коэффициентом полезного действия, не превышающим 30%. Кроме того, потребитель использует тепловую энергию путем отбора ее от силового агрегата с помощью теплообменника.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, прототипом, является мини теплоэлектростанция [e-mail: post@kd.kamaz.org, http:www.kamaz.ru.] Кам ТЭС - 100/к на базе газопоршневого электроагрегата АП. 100 С - т 400 - 1 р. ОАО КАМАЗ.
Недостатком прототипа [e-mail: post@kd.kamaz.org, http:www.kamaz.ru.] является то, что выработка тепловой полезной энергии для нужд теплоснабжения производится не в полной мере.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности энергетических тепловых установок. Одной из технических возможностей повышения энергоэффективности силовых генерирующих установок является использование тепловых насосов.
Цель достигается тем, что устройство адаптации теплового насоса (ТН) с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), состоящее из ТН, ДВС с электрогенератором на валу и воздушно-водяной радиатор теплообмена с вентилятором притока холодного воздуха, отличающееся тем, что у торца вала ДВС предусмотрен второй радиатор теплообмена - воздушно-тосоловый, расположенный в тепловом потоке естественной конвекции, при этом вход воды напорной части первого воздушно-водяной радиатора подключен к напорному водоводу насоса кожухотрубного подогревателя (антифриз - вода), а выход воды первого радиатора подключен к входу тракта воды переохладителя ТН, а выход по воде переохладителя ТН подключен врезкой к водоводу испарителя ТН на участке выхода воды из кожухотрубного подогревателя (антифриз - вода), вход второго радиатора подключен через трехходовой разделительный клапан к тракту системы охлаждения антифризом ДВС на участке выхода антифриза из кожухотрубного подогревателя (антифриз - вода), а выход второго радиатора подключен через дисковый поворотный затвор к тракту системы охлаждения ДВС на участке выхода антифриза из ДВС, причем во втором радиаторе предусмотрено сквозное отверстие, через которое проходит вал ДВС, связанный муфтовым соединением с валом упомянутого электрогенератора, при этом вход и выход испарителя ТН по воде присоединены соответственно к выходу и входу кожухотрубного подогревателя (антифриз - вода) через дисковые поворотные затворы, причем на водоводе из испарителя (ТН) предусмотрена пара параллельных насосных агрегатов, при этом корпус ДВС закрыт предусмотренным дополнительным капотом в пределах от первого до второго радиатора, а датчики контроля параметров работы установки: ТН, ДВС, электрогенератор, воздуховоды, магистрали воды, антифриза, хладагента объединены и подключены с дополнительно предусмотренным автоматическим функциональным концентратором сигналов.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг., где изображена установка, которая делится на две основные части: ТН и ДВС.
Обозначения, относящиеся к ДВС, имеют следующий смысл: 1 - ДВС; 2, 3 - первый охлаждающий радиатор ДВС; 4 - кожухотрубный подогреватель антифриз - вода; 5, 6 - второй подогревающий радиатор ДВС; 7 - шумоглушитель выхлопной трубы ДВС; 8 - дисковый поворотный затвор; 9 - синхронный генератор; 10 - силовой электрический шкаф; 11 - трехходовой разделительный клапан с сервоприводом; 12 - обратный клапан; 13 - циркуляционный насос; 14 - приточный вентилятор.
Обозначения, относящиеся к ТН, имеют следующий смысл: 15 - испаритель теплового насоса, утилизирующий низкотемпературную энергию (И), 16 - переохладитель, предназначенный для охлаждения хладагента (ПО), 17 - фильтр осушитель (ФО), 18 - теплообменник, подогревающий хладагент, который поступает к тепловому насосу (ТО), 19 - конденсатор теплового насоса (К), 20 - компрессор хладагента (КМ), 21 - электродвигатель привода компрессора (М), 22 - бак, аккумулирующий подогретую воду (БА), 23 - потребитель утилизированной тепловым насосом тепловой энергии (ПТ).
Устройство работает следующим образом. ДВС 1 функционирует на газовом или дизельном топливе. Корпус двигателя 1 охлаждается приточным вентилятором 14, который затягивает холодный воздух из окружающей среды через первый охлаждающий воздушно-водяной радиатор 2, 3. Выходящая из радиатора 3 вода поступает в переохладитель 16 хладагента. Последний выходит из конденсатора 19 ТН. Выходящая из ПО вода через врезку поступает в трубу и далее на вход испарителя 15 ТН. Из ПО выходит также хладагент, который поступает на вход теплообменника 18.
На вход испарителя 15 ТН поступает не только вода от ПО, но и вода, являющаяся носителем низкотемпературной энергии. Она поступает с выхода кожухотрубного подогревателя антифриз-вода 4 через дисковый поворотный затвор 8. Охлажденная в межтрубном пространстве испарителя 15 вода направляется к его выходу и далее к входу кожухотрубного подогревателя антифриз-вода 4. Движение воды по указанному контуру осуществляется посредством циркуляционных насосов 13, имеющих на выходе обратные клапаны 12.
Кожухотрубный подогреватель антифриз-вода 4 имеет выход по антифризу, через который и дисковый поворотный затвор 8 данная жидкость поступает на трехходовой разделительный клапан 11 с сервоприводом. Этот клапан распределяет поток антифриза на две ветви: одна из них направляет антифриз в систему охлаждения ДВС 1, а вторая - в подогревающий радиатор 5, 6. В обоих ветвях антифриз нагревается: в первом случае за счет выделяющегося тепла в работающем ДВС 1, во втором - воздушным потоком, создаваемым вентилятором 14 и омывающим разогретый корпус ДВС 1. Нагретые в указанных ветвях антифризы воссоединяются в единую магистраль посредством дискового поворотного затвора 8 и врезки. Далее нагретый антифриз через дисковый поворотный затвор 8 поступает на вход кожухотрубного подогревателя 4, отдавая тепловую энергию воде, направляемой на вход испарителя 15 ТН.
В испарителе 15 хладагент переходит в парообразное состояние и с его выхода направляется в теплообменник 18, где он подогревается в межтрубном пространстве. Далее хладагент поступает на вход компрессора 20 ТН. Магистраль циркуляции хладагента предусматривает двоякое фазовое его состояние: конденсированное и парообразное. В конденсированном состоянии хладагент охлаждается в переохладителе 16 и теплообменнике 18. На соответствующем участке магистрали конденсированный хладагент пополняется в объеме из-за возможно имеющейся утечки. Перед тем, как попасть на вход испарителя 15, конденсированный хладагент проходит через фильтр-осушитель 17.
Из испарителя 15 газообразный хладагент поступает в компрессор 20 ТН, где происходит его сжатие. Работа компрессора осуществляется за счет того, что последний имеет собственный привод в виде асинхронного электродвигателя 21. Из компрессора 20 хладагент поступает на вход конденсатора 19 ТН, в котором происходит съем тепловой энергии водой, поступающей через вентиль 3.8 в конденсатор 19 ТН. Нагретая в нем вода через вентиль 3.7 поступает в бак 22, предназначенный для аккумуляции нагретой воды. Из этого бака нагретая вода подается циркуляционными насосами Н3 и Н4 потребителю утилизированной тепловой энергии 23. После него вода возвращается через вентиль 3.8 на вход конденсатора 19 ТН. Таким образом, имеет место замкнутая или неразборная система кругооборота воды, в которой она периодически нагревается в конденсаторе 19 ТН и охлаждается у потребителя утилизированной тепловой энергии 23.
Ниже приводятся в качестве примера возможные значения параметров отдельных элементов полезной модели. Параметры низкотемпературной воды:
3
а) система ДВС 1 - испаритель 15 ТН: t=25°C, V=25 м/час, мощность насосов 13 1,5 кВт;
3
б) система потребитель тепловой энергии 23 - конденсатор 19 ТН: V=12,5 м/час, мощность насосов Н3, Н4 1,5 кВт.
3
Электродвигатель 21 привода компрессора хладагента 20 ТН торцевого исполнения является асинхронным, имеющий мощность 40-50 кВт и с питающим напряжением 380 В. Высокотемпературная вода, забираемая от конденсатора 19 ТН, для теплоснабжения потребителя 23 имеет следующие параметры: t=80-60°С, V=12,5 м/час, тепловая мощность 233 кВт. Синхронный генератор 9 имеет мощность 100 кВт. При этом для целей электроснабжения используется 50 кВт. Общая вырабатываемая для потребителя мощность электроснабжения и теплоснабжения составляет 50+233=283 кВт. Кожух корпуса ДВС вентилируется приточной составляющей 2, 3, снабженной вентилятором, и вытяжной 5, 6 без вентилятора. Теплоснабжение потребителя осуществляется подогретой водой через выход 3.7, а 3.8 обеспечивает обратку неразборной воды.
Использованные источники
1 Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли (Монография). Издательский дом «Граница». М., «Красная звезда» - 2006. - 220 с.
2 Копылов А.Е. Экономические аспекты выбора системы поддержки использования возобновляемых источников энергии в России // Энергетик. - 2008. №1. - С. 5.
3. e-mail: post@kd.kamaz.org, http:www.kamaz.ru.