МНОГОТОПЛИВНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для комбинированного тепло- и электроснабжения малых хозяйственных (в том числе удаленных) и социальных объектов (малых поселков, деревень, малых предприятий с ограниченным потреблением энергии и т.п.) с использованием местных возобновляемых топливных биоресурсов. В последние годы проблема развития малой энергетики становится все более актуальной, в том числе, в связи с истощением традиционных углеводородных источников энергии.
Известно устройство комбинированной стирлинг-установки для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель Стирлинга с генератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов /RU 2196243, F02G 5/02, 2003/. Однако устройство данной когенерационной установки не приспособлено к работе на местном топливе, имеет сложное конструктивное исполнение, связанное с использованием пара.
Известна когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга. Имеющую также в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов. Отличительной особенностью известной установки является то, что она снабжена газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, магистралью частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга, насосом в системе внешнего теплоснабжения, обеспечивающим движение теплоносителя последовательно через теплообменник предварительного подогрева и теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов. При этом в качестве местного топлива может применяться древесина, торф и горючие сланцы /RU 53380, F02G 5/02, 2006/. Данная установка принята за прототип.
Прототип характеризуется недостаточной эффективностью, а также повышенным загрязнением воздушной среды. Первый недостаток прототипа связан с тем, что процесс газификации в нем осуществляется с постоянной скоростью. В тоже время, потребление получаемой энергии у автономного потребителя величина не постоянная. Например, различие температуры атмосферного воздуха в ночное и дневное время в течение суток может превышать 10°С. При использовании получаемого газа для отопления расход газа в ночные часы превышает дневной расход. Изменение скорости газификации связано со снижением эффективности газогенератора и снижением качества получаемого газа. Кроме того, мощность электрогенератора должна быть не менее максимальной установленной мощности потребителя. В тоже время, временной интервал максимального потребления обычно весьма узок, поэтому основное время электрогенератор работает на частичных нагрузках со значительным снижением КПД, а необходимость обеспечения пиковых нагрузок приводит к реальному переизбытку установленной мощности автономного источника и нецелесообразного увеличения его массогабаритных и стоимостных показателей. Второй недостаток связан с присутствием азота воздуха в высокотемпературных зонах процесса газификации.
Задачей полезной модели является создание многотопливного автономного источника тепловой и электрической энергии с двигателем Стирлинга на местном топливе лишенного указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении эффективности источника энергии, а также в снижении нагрузки на окружающую среду.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается многотопливный автономный источник тепловой и электрической энергии с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающий в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов, магистраль отработанных газов. При этом устройство снабжено газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, насосом в системе внешнего теплоснабжения, обеспечивающим движение теплоносителя через теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов. Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что устройство дополнительно снабжено кислородным концентратором, оснащенным регулирующей арматурой и связанным, с одной стороны, с камерой сгорания газогенератора, а с другой стороны, через дополнительную регулирующую арматуру с магистралью генераторного газа. Устройство также оснащено ресивером генераторного газа, установленным на магистрали генераторного газа и соединенным через регулирующую арматуру с газовой горелкой расположенной на магистрали отработанных газов в месте соединения последней с теплообменником-утилизатором. А электрогенератор подключен к последовательной цепи, состоящей из выпрямительно-зарядного устройства, аккумуляторной батареи и инвертора.
Дополнительно предлагается устройство оснастить теплообменником предварительного подогрева воздуха, установленном на магистрали отработанных газов.
Оснащение источника тепловой и электрической энергии кислородным концентратором, связанным через регулирующую арматуру, с одной стороны, с камерой сгорания газогенератора, а с другой стороны, с магистралью генераторного газа позволяет повысить КПД газификации за счет исключения потерь на нагрев азота воздуха, повысить энергоемкость получаемого газа за счет исключения азота из состава получаемого газа, а также повысить экологичность процессов газификации и сжигания газа за счет отсутствия азота воздуха в высокотемпературных зонах процесса газификации.
Установка ресивера генераторного газа на магистрали генераторного газа соединенного через регулирующую арматуру с газовой горелкой расположенной на магистрали отработанных газов в месте соединения последней с теплообменником-утилизатором, позволяет избежать переналадок газогенератора, связанных с изменением количества получаемой энергии у потребителя.
Использование в автономном источнике последовательной цепи, состоящей из выпрямительно-зарядного устройства, аккумуляторной батареи и инвертора позволяет в несколько раз снизить мощность первичного источника электроэнергии и расход топлива (энергоносителя) и тем самым повысить КПД установки.
На прилагаемой иллюстрации представлена схема заявляемого устройства, где 1 - двигатель Стирлинга, 2 - электрогенератор, 3 - насос, 4 - теплообменник-охладитель, 5 - магистраль подачи воздуха, 6 - теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов, 7 - магистраль отработанных газов, 8 - газогенератор, 9 - магистраль генераторного газа, 10 - насос системы внешнего теплоснабжения, 11 - кислородный концентратор, 12 и 13 - дополнительная регулирующая арматура, 14 - ресивер генераторного газа, 15 - газовая горелка, 16 - выпрямительно-зарядное устройство, 17 - аккумуляторная батарея, 18 - инвертор, 19 - теплообменник предварительного подогрева воздуха.
Устройство работает следующим образом. Твердое топливо (древесная щепа, опилки, пеллеты из биомассы любого происхождения, угольная или сланцевая крошка) из расходного бункера через узел дозированной подачи топлива (на схеме не показаны) поступает в высокотемпературный газогенератор 8. Процесс газогенерации происходит в керамической камере газогенератора 8 в условиях дозированной подачи кислорода от кислородного концентратора 11. Получаемый газ поступает в ресивер 14. Из ресивера газ подается в высокотемпературную камеру сгорания двигателя Стирлинга 1, тепло получаемое от сгорания газа приводит в действие двигатель Стирлинга 1. Получаемая на двигателе Стирлинга механическая энергия передается на электрогенератор 2. Электроэнергия через выпрямительно-зарядное устройство 16 аккумулируется в аккумуляторной батарее 17 и через инвертор 18 подается потребителю. Дымовые газы из высокотемпературной камеры сгорания двигателя Стирлинга 1 подогревают поступающий в камеру сгорания воздух в подогревателе воздуха 19 и поступают в теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов 6; для регулировки нагрева термоголовки двигателя Стирлинга предусмотрена линия регулируемой подачи кислорода от кислородного концентратора 11 в высокотемпературную камеру сгорания двигателя Стирлинга 1. Для регулирования мощности теплоснабжения потребителя предусмотрена регулируемая подача газа от ресивера 14 к газовой горелке 15 и получения дополнительной тепловой энергии теплоснабжения потребителя.