ТЕПЛОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

Предлагаемое техническое решение относится к области теплотехники, а именно, к нагревателям текучей среды, в частности, воды для отопления жилых и других зданий путем утилизации тепла двигателей внутреннего сгорания, преимущественно большеразмерных и V-образных.
Уже известна теплогенераторная установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, снабженный выхлопным коллектором и рубашкой охлаждения, при этом первичный контур циркуляции нагревающей среды одних теплообменников соединен трубопроводом с выхлопным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а других теплообменников - с рубашкой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и вторичные контуры циркуляции нагреваемой среды всех теплообменников соединены посредством трубопроводов и циркуляционного насоса с системой отопления объекта (патент РФ №46839, F24H 3/08, 2004 г.)
Известная установка позволяет утилизировать тепло двигателя, однако она недостаточно эффективна, т.к. не содержит регулирующих температуру устройств. Известно, что двигатель внутреннего сгорания работает в широком диапазоне нагрузок, соответственно с разными температурами первичных теплоносителей, в частности отработавших газов, что может привести к переохлаждению отработавших газов ниже "точки росы", образованию кислотосодержащего конденсата и корродированию поверхности теплообменников.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания путем введения электронно управляемого дозирования потоков жидкости вторичного контура, использования части котлов-утилизаторов отработавших газов при частичных нагрузках двигателя внутреннего сгорания, турбулизации потоков нагревающей среды первичного контура циркуляции, позволяющего увеличить
интенсивность теплообмена и увеличения поверхности теплосъема во вторичном контуре циркуляции. Кроме того повышается долговечность работы предлагаемой установки.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата теплогенераторная установка, содержащая размещенные в корпусе теплообменники, двигатель внутреннего сгорания в качестве приводного и нагревательного устройства, снабженный выхлопным коллектором, и рубашкой охлаждения, при этом первичный контур циркуляции нагревающей среды одних теплообменников соединен трубопроводом с выхлопным коллектором двигателя внутреннего сгорания, а других теплообменников - с рубашкой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и вторичные контуры циркуляции нагреваемой среды всех теплообменников соединены с системой отопления объекта посредством трубопроводов и циркуляционного насоса, согласно предлагаемой полезной модели, установка дополнительно снабжена системой регулирования температуры нагреваемой среды во вторичном контуре циркуляции нагреваемой среды, включающей электронный блок управления и связанные с ним датчики температуры нагреваемой среды, размещенные на входе и выходе вторичного контура циркуляции, датчики температуры нагревающей среды первичного контура циркуляции, дроссельные заслонки, размещенные на выходе из выхлопного коллектора и в зоне ввода первичного контура циркуляции нагревающей среды по меньшей мере в часть теплообменников, соединенных с выхлопным коллектором, и дозаторы, установленные в трубопроводах, сообщающих теплообменники, с вторичным контуром нагреваемой среды и в трубопроводах, соединяющих эти теплообменники с рубашкой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, причем рубашка охлаждения двигателя внутреннего сгорания выполнена в виде рубашки водяного охлаждения и рубашки масляного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, а каждый теплообменник снабжен автономными линиями подключения к вторичному контуру циркуляции нагреваемой
среды и подключение всех теплообменников к этому контуру циркуляции выполнено параллельным.
Каждый теплообменник может быть выполнен в виде кожухотрубного котла, снабженного с торцов двумя трубными решетками с гнездами и цилиндрическими поясками в них, первичный контур циркуляции нагревающей среды внутри каждого котла выполнен в виде продольно расположенного пучка труб, жестко закрепленных обоими торцами в цилиндрических поясках гнезд трубных решеток, трубная решетка, размещенная со стороны ввода первичного контура циркуляции нагревающей среды в котел, выполнена с центральной выпуклой вовнутрь котла частью, открытой со стороны первичного контура циркуляции, и с периферийной частью, прилегающей к торцу котла со стороны ввода в него первичного контура циркуляции с образованием кольцевого канала, сообщенного с межтрубным пространством, размещенного между внутренней стенкой котла и образующей центральной выпуклой частью решетки, а пучок труб закреплен в днище выпуклой части решетки.
Гнезда трубных решеток могут быть выполнены путем выштамповки с образованием отбортовок, торцы которых ориентированы вовнутрь котла. Каждая из труб котла снабжена по меньшей мере на части ее длины турбулизатором, выполненным в виде спирально закрученной пластины.
Диаметр труб котла может быть выполнен равным 30-40 мм при длине этих труб, равной 500-600 мм, а трубы размещены внутри котла рядами с величиной шага в каждом ряду, равной 1,0-1,5 диаметра труб и со смещением труб в смежных рядах, равным 0,5-0,75 диаметра труб.
Жесткое закрепление каждой из труб в пояске гнезда трубной решетки может быть осуществлено сваркой.
Патрубок ввода в котел первичного контура циркуляции нагревающей среды и патрубки ввода и вывода вторичного контура циркуляции нагреваемой среды могут быть ориентированы тангенциально диаметру котла. Корпус каждого котла может быть выполнен раздельным, а основание и боковые поверхности корпуса - теплоизолированным. Количество котлов,
сообщенных первичным контуром циркуляции с выхлопным коллектором двигателя внутреннего сгорания, может превышать количество котлов, сообщенных с рубашкой охлаждения этого двигателя.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 - представлена схема предлагаемой теплогенераторной установки,
на фиг.2 - продольное сечение котла,
на фиг.3 - вид "В" - укрупненно показано гнездо в трубной решетке в зоне установки трубы,
на фиг.4 - поперечное сечение котла по А-А.
Представленная на фиг.1 теплогенераторная установка содержит размещенные внутри корпуса 1 двигатель 2 внутреннего сгорания, например, V-образный, снабженный рубашкой водяного и рубашкой масляного охлаждения (не показаны), соединенными соответственно с радиатором 3 водяного охлаждения и масляным радиатором 4, выхлопным коллектором 5, теплообменники 6, 7, 8, 9, 10, 11 и систему регулирования температуры нагреваемой среды во вторичном контуре 12 циркуляции нагреваемой среды. Каждый теплообменник выполнен в виде кожухотрубчатого котла, причем первичный контур 13 циркуляции нагревающей среды одних котлов соединен трубопроводом 14 с выхлопным коллектором 5 двигателя 2 внутреннего сгорания, а других - с рубашкой водяного охлаждения посредством радиатора 3 водяного охлаждения и с рубашкой масляного охлаждения посредством радиатора 4 масляного охлаждения.
Вторичный контур 12 циркуляции нагреваемой среды всех теплообменников посредством подводящего 15 и отводящего 16 коллекторов сообщен с системой 17 отопления объекта и содержит циркуляционный насос 18.
Каждый теплообменник снабжен двумя автономными линиями 19, 20 подводящей и отводящей соответственно, подключения к вторичному контуру 12 циркуляции нагреваемой среды, причем подключение всех теплообменников к вторичному контуру 12 циркуляции нагреваемой среды выполнено параллельным.
С электронным блоком 21 управления связаны датчики 22,23 температуры нагреваемой среды, размещенные на входе и выходе вторичного контура циркуляции нагреваемой среды соответственно, датчик 24 температуры нагревающей среды (отработавших газов), датчики 25, 26 температуры нагревающей среды (из рубашки водяного охлаждения и рубашки масляного охлаждения соответственно) и дроссельные заслонки 27, размещенные на выходе из выхлопного коллектора 5, и дроссельные заслонки 28 - в зоне ввода первичного контура 13 циркуляции нагревающей среды в котел, сообщенный с выхлопным коллектором 5, дозаторы 28 первичного контура циркуляции, установленные в трубопроводах, сообщающих котлы с рубашкой водяного охлаждения и рубашкой масляного охлаждения и дозаторы 29, 30 первичного контура циркуляции, установленные в трубопроводах, сообщающих котлы с рубашкой водяного охлаждения и рубашкой масляного охлаждения соответственно, и дозаторы 31, установленные в трубопроводах сообщающих котлы со вторичным контуром циркуляции. Один из котлов 6 или 8, сообщенный с выхлопным коллектором 5 с каждой стороны V-образного блока цилиндров, непосредственно, без дроссельной заслонки сообщен с первичным контуром 13 циркуляции нагревающей среды.
Каждый кожухотрубный котел снабжен с торцов двумя трубными решетками 32, 33 с гнездами 34 и цилиндрическими поясками 35 в них. Первичный контур (13) циркуляции нагревающей среды внутри каждого котла выполнен в виде продольно расположенного пучка труб 36, жестко закрепленных обоими торцами в цилиндрических поясках 35 гнезд 34 трубных решеток 32, 33.
Трубная решетка 33, размещенная со стороны ввода первичного контура 13 нагревающей среды в котел, утилизирующий тепло отработавших газов, выполнена с центральной выпуклой вовнутрь котла частью - приемной камерой 37, открытой со стороны первичного контура (13) циркуляции, и с периферийной зоной 38 этой решетки, прилегающей к торцу котла со стороны ввода в котел первичного контура 13 циркуляции с образованием кольцевого канала 39, сообщенного с межтрубным пространством котла и размещенного
между внутренней стенкой котла и образующей центральной выпуклой частью решетки, то есть боковой стенкой приемной камеры. При этом пучок труб 36 закреплен в днище 40 выпуклой части трубной решетки 33. Гнезда 34 трубных решеток 32, 33 выполнены путем выштамповки с образованием отбортовок 41, торцы которых ориентированы вовнутрь котла. Каждая из труб 36 котла снабжена турбулизатором 42, выполненным в виде спирально закрученной пластины, размещенной по меньшей мере на части ее длины.
Диаметр "d" труб котла предпочтительно выполнен равным 30-40 мм при длине этих труб равной 500-600 мм, а трубы размещены внутри котла рядами с величиной шага "а" в каждом ряду, равным 1,0-1,5 диаметра труб и со смещением "с" труб в смежных рядах, равным 0,5-0,75 диаметра труб. Жесткое закрепление каждой из труб 36 в цилиндрическом пояске 35 гнезда 34 каждой трубной решетки 32 или 33 осуществляют сваркой.
Патрубок 43 ввода в котел первичного контура 13 циркуляции нагревающей среды и патрубки 44, 45 ввода и вывода в котел соответственно вторичного контура 12 циркуляции нагреваемой среды ориентированы тангенциально диаметру "Д" котла. Патрубок 46 вывода отработавших газов в атмосферу в данном устройстве размещен центрально сверху котла и подсоединен к глушителю (не показан). Корпус 47 каждого котла выполнен раздельным, а основание 48 корпуса и его боковые поверхности 49 теплоизолированными. Количество котлов, сообщенных первичным контуром циркуляции с выхлопным коллектором двигателя внутреннего сгорания, превышает количество котлов, сообщенных с рубашкой охлаждения двигателя.
Для перекрытия потока первичного контура циркуляции нагревающей среды из котла, сообщенного с радиатором водяного охлаждения 3 и с масляным радиатором 4 предусмотрены трехходовые краны 50, 51, размещенные в трубопроводах, сообщающих рубашку водяного и рубашку масляного охлаждения соответственно с этими котлами.
Теплогенераторная установка подключена к системе отопления зданий и сооружений. Эксплуатация теплогенераторной установки возможна только при работающем двигателе внутреннего сгорания, являющимся источником тепла и кинематического привода. При этом источником тепла служат горячие отработавшие газы и охлаждающая жидкость: вода и масло. Зачастую в качестве двигателя внутреннего сгорания используют большеразмерный V-образный двигатель.
Выделяемое при работе двигателя внутреннего сгорания тепло снимается в кожухотрубных котлах - теплообменниках при подключенной системе отопления объекта и в водо-воздушных радиаторах охлаждения двигателя внутреннего сгорания водяного и масляного при отключенной системе отопления объекта. В период, когда система отопления не задействована температуры входа-выхода нагреваемой среды во вторичном контуре циркуляции низки и равны между собой, горячие отработавшие газы выносятся через глушитель непосредственно в атмосферу, а теплообменники, связанные с рубашкой охлаждения, отключены от вторичного контура циркуляции.
С каждым выпускным коллектором предпочтительно предусмотрено сообщение как минимум двух теплообменников типа отработавшие газы - вода, что позволяет при нагрузках на двигатель менее 50% полностью реализовывать теплотехнические свойства теплообменника (в одном теплообменнике при малых нагрузках из-за переохлаждения отработавших газов ниже "точки росы", равной 120°С, происходит выделение конденсата и коррозия металлических поверхностей). При этом при частичных нагрузках работает только по одному теплообменнику, сообщенному с выхлопным коллектором. Каждый теплообменник имеет свою независимую линию подключения к вторичному контуру циркуляции и к входному и выходному коллектору системы отопления зданий и в каждой линии 19 или 20 устанавливают по одному электроуправляемому дозатору. Пропускная способность каждой линии определяется разностью температур на входе и выходе системы отопления. Электронный блок 21 управления принимает сигналы от температурных
датчиков воды вторичного контура циркуляции нагревающей среды, охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, моторного масла, отработавших газов и выдает управляющие импульсы на дозаторы и заслонки отработавших газов.
Кожухотрубные котлы унифицированной конструкции имеют газоводные и водо-водные трубки с установленными в них спиралевидными турбулизаторами, длина и угол наклона витков которых зависит от расчетной интенсивности потока и допустимых сопротивлений потоку. Приемная камера котла, образуемая на входе первичного контура циркуляции в теплообменник, сообщенный с выхлопным коллектором, омывается водой вторичного контура, для чего предусмотрена кольцевая полость. Для повышения интенсификации теплообмена вход первичного теплоносителя (охлаждающая жидкость, отработавшие газы) организован тангенциально, так же как и вход-выход воды вторичного контура (последнее решение предотвращает также образование застойных зон и локальный перегрев воды). Для повышения надежности заделки трубок в газопринимающей решетке имеются направленные внутрь выштамповки, увеличивающие поверхность контакта трубок с решеткой и обеспечивающие надежный сварной шов.
Корпус каждого котла выполнен раздельным. Днище котлов выполнено разъемным с корпусом, что позволяет проводить обслуживание котлов (чистка трубок, замена турбулизаторов и др.). Днище позволяет устанавливать котел непосредственно на пол (фундамент), имеет теплоизолирующий слой для предотвращения потерь тепла и нагрева пола.
Работа теплогенераторной установки осуществляется следующим образом. После запуска двигателя внутреннего сгорания и выхода его на установившийся температурный режим, при работе циркуляционного насоса внешнего контура системы отопления здания (зимний режим) в зависимости от разницы температур входа и выхода открываются все дозаторы и до достижения заданного температурного градиента остаются открытыми. По мере прогрева воды вторичного контура, при избыточном тепловыделении
двигателем внутреннего сгорания путем переключения трехпозиционных кранов происходит перераспределение потоков первичного контура, в т.ч. от рубашки водяного охлаждения и рубашки масляного контура в соответствующие радиаторы, а от выхлопного коллектора (частично) - непосредственно в глушитель. При отключении циркуляционного насоса (летний режим) все потоки первичного контура направляются соответственно в радиаторы или глушитель (глушители), минуя теплообменники. При включенном циркуляционном насосе, но малой нагрузке двигателя, отработавшие газы подаются только в одну пару теплообменников.
Предлагаемая теплогенераторная установка позволяет повысить эффективность утилизации тепла путем введения электронно управляемого дозирования потоков жидкости вторичного контура, использования части котлов утилизаторов отработавших газов при частичных нагрузках двигателя и путем увеличения интенсивности теплообмена в первичном контуре циркуляции нагревающей среды и увеличения поверхности теплосъема во вторичном корпусе циркуляции, а также позволяет повысить долговечность работы теплообменников путем оптимизации температуры отработавших газов на различных нагрузках двигателя.
Кроме того, повышение эффективности утилизации тепла обеспечивается за счет параллельного подключения каждого теплообменника к вторичному контуру циркуляции и электронно управляемому дозированию потоков каждой линии, направлению потоков вторичного контура на линии утилизации тепла отработавших газов в один или два теплообменника в зависимости от нагрузки. При этом эффективность каждого теплообменника повышается за счет обеспечения тангенциального входа и выхода теплоносителей, применения дополнительной кольцевой полости винтообразных турбулизаторов, а надежность теплонагруженных деталей теплообменников - за счет специальной формы днища и заделки трубок.
Предлагаемая теплогенераторная установка успешно прошла испытания и подготовлена к внедрению.