УСТАНОВКА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И/ИЛИ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
DEVICE FOR HEATING AND/OR HOT WATER SUPPLY

Изобретение относится к области теплотехники и предназначено для автономного отопления и горячего водоснабжения жилых домов, промышленных зданий и сооружений, подсобных хозяйств, отапливаемых теплиц, небольших животноводческих ферм.
Из информации на сайте , страница «О когенерации, малой энергетике и строительстве тепловых электростанций», известна мини-ТЭЦ (теплоэнергоцентраль) с когенерационной установкой, включающая водогрейный котел, газотурбинную когенерационную установку (КГУ) с дизель-генератором - генератором тепловой энергии, оборудованную блоками утилизации, системой диспетчеризации. Указанная ТЭЦ обеспечивает замкнутую систему отопления зданий теплом теплоносителя путем его нагрева за счет утилизации тепла генератора тепловой энергии, работающего на исходном топливе, жидком или газообразном. Когенерационная установка описанной ТЭЦ является наиболее близким аналогом изобретения.
Недостатком известной установки является ее недостаточно высокий коэффициент полезного действия (кпд), обусловленный необходимостью соблюдения условия эффективного теплообмена, согласно которому источник - выхлопной газ - должен иметь температуру выше, чем приемник-теплоноситель системы отопления, и в связи с этим необходимостью соблюдения условия температуры выходящих в атмосферу выхлопных газов генератора тепловой энергии не ниже температуры теплоносителя отопительной системы. А это означает, что часть тепловой энергии неизбежно выбрасывается в атмосферу.
Задачей и техническим результатом изобретения являются повышение кпд установки путем уменьшения потерь тепловой энергии, более эффективного отбора тепла от его носителя - выхлопного газа в теплоноситель системы отопления, дополнительная утилизация тепловой энергии выхлопных газов для нагревания теплоносителя системы отопления, исключения выброса в атмосферу горячих выхлопных газов, осуществления развязки между теплоносителем системы отопления и выхлопными газами, снижение расхода исходного топлива.
Задача решается и технический результат достигается конструкцией установки для отопления и/или горячего водоснабжения, которая содержит, как и в ближайшем аналоге:
- генератор тепловой энергии, с выходом выхлопных газов;
- теплообменник выхлопного газа с возможностью его заполнения теплоносителем системы отопления и/или горячего водоснабжения (далее система); под системой понимается далее не только система отопления как таковая, но и/или система горячего водоснабжения;
- теплообменник выхлопного газа связан с выходом выхлопных газов генератора тепловой энергии;
- при необходимости теплообменник охлаждения генератора тепловой энергии;
- при необходимости в теплообменнике охлаждения генератора этот теплообменник выполнен с возможностью его заполнения теплоносителем системы и включает в себя радиатор системы охлаждения генератора тепловой энергии с возможностью контакта радиатора системы охлаждения генератора тепловой энергии с теплоносителем системы;
- при необходимости электрогенератор, связанный с ротором генератора тепловой энергии.
Отличием предложенной конструкции от ближайшего аналога является следующее:
- генератор тепловой энергии выполнен в виде 4-тактного двигателя внутреннего сгорания;
- введен тепловой насос с компрессором, холодным и теплым контурами;
- введен теплообменник теплого контура;
- введен привод теплового насоса;
- привод выполнен в виде электропривода, связанного с электрогенератором генератора тепловой энергии, или в виде механического привода, связанного непосредственно с ротором генератора тепловой энергии;
- теплый контур теплового насоса с теплоносителем теплового насоса расположен в теплообменнике теплого контура с возможностью контакта своей поверхности с теплоносителем системы;
- вход теплообменника теплого контура теплового насоса для теплоносителя системы выполнен с возможностью связи с выходом системы, например с обраткой;
- теплообменник теплого контура теплового насоса связан с теплообменником выхлопного газа теплоносителем системы, т.е. выход теплообменника теплого контура теплового насоса для теплоносителя системы связан с входом теплообменника выхлопного газа для теплоносителя системы;
- выход теплообменника выхлопного газа для теплоносителя системы выполнен с возможностью связи с входом системы для теплоносителя системы или при необходимости наличия теплообменника охлаждения генератора тепловой энергии выход теплообменника выхлопного газа для теплоносителя системы связан с входом теплообменника охлаждения теплового генератора для теплоносителя системы, а выход теплообменника охлаждения теплового генератора для теплоносителя системы выполнен с возможностью связи с входом системы для теплоносителя системы;
- холодный контур теплового насоса помещен в барботер;
- барботер выполнен с возможностью заполнения части его объема теплоносителем барботера, с образованием воздушной полости;
- холодный контур теплового насоса расположен в барботере с возможностью контакта его наружной поверхности с теплоносителем барботера;
- в барботере расположен по крайней мере один канал выхлопного газа с выполненными в его поверхности выходными отверстиями для выхлопного газа, с возможностью контакта его наружной поверхности с теплоносителем барботера;
- вход канала выхлопного газа связан с выходом теплообменника выхлопного газа для отработанного выхлопного газа;
- выход холодного контура теплового насоса для теплоносителя теплового насоса связан с входом теплого контура для теплоносителя теплового насоса посредством компрессора теплового насоса;
- выход барботера является выходом в атмосферу выхлопных газов.
Приведенная конструкция установки позволяет для выхода не полностью охлажденных выхлопных газов из теплообменника выхлопных газов использовать не атмосферу, а теплоноситель барботера с холодным контуром теплового насоса. Отработанные в своем теплообменнике выхлопные газы выходят не в атмосферу, а в барботер с холодным контуром, где происходит дополнительная утилизация их остаточного тепла для дополнительного подогрева теплоносителя теплового насоса в холодном контуре и сообщения теплоносителю системы с помощью описанной установки дополнительно тепловой энергии.
Указанная совокупность признаков в известном уровне техники не обнаружена.
Известно использование 4-тактных двигателей внутреннего сгорания в когенерационных установках.
Известна барботажная очистка и охлаждение доменных газов в металлургии путем пропускания пузырьков доменных газов сквозь воду. В предлагаемом изобретении также имеет место пропускание частично утилизированных выхлопных газов двигателя сквозь теплоноситель барботера, которым может быть вода. Однако в изобретении охлажденный таким образом выхлопной газ, при дополнительном уменьшении своей температуры, уменьшает тепловые выбросы в атмосферу, повышая кпд работы установки, и с этой точки зрения предложенное решение позволяет получить иной, неизвестный результат, заключающийся в повышенном кпд установки. Использование барботера для дополнительного съема тепла выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания для теплоносителя системы отопления неизвестно. При этом барботер дополнительно работает как хороший глушитель, понижая уровень шума установки. Использование барботера для понижения уровня шума работы описанной установки также неизвестно.
Известны также тепловые насосы, в качестве которых могут использоваться кондиционеры, например автомобильные. В предложенном решении тепловой насос является не только средством для передачи дополнительного тепла от выхлопных газов теплоносителю системы отопления, но и своеобразной термической развязкой между выходящими в атмосферу выхлопными газами и теплоносителем системы отопления, что позволяет повысить кпд установки при обеспечении нормальной ее работы. В этом качестве использование тепловых насосов из уровня техники неизвестно.
На фигуре приведен чертеж когенерационной установки.
Когенерационная установка содержит 4-тактный двигатель внутреннего сгорания 1, который может быть выполнен на базе любого двигателя от автомобиля, например, от ВАЗ 2106, снабженный радиатором охлаждения. Установка содержит электрогенератор 2, механически связанный с ротором двигателя 1, теплообменник 3 выхлопного газа, который представляет собой закрытую емкость с выполненным в ней каналом 4 для выхлопных газов в виде улитки с большой площадью поверхности для интенсификации процесса теплообмена теплоносителя с выхлопными газами. Емкость теплообменника 3 заполнена теплоносителем системы отопления. Теплообменник 3 выхлопного газа может быть выполнен аналогично теплообменнику отопительного котла пульсирующего горения из спиральных труб, погруженных в воду, в соответствии с оптимизацией теплообмена (см. http://www.mukhin.ru/teplo/auerpulsar.html).
Установка содержит также теплообменник 5 охлаждения двигателя 1, выход которой является входом в систему горячего водоснабжения/теплоснабжения/отопления зданий и сооружений. Теплообменник 5 представляет собой емкость, заполненную теплоносителем системы, в которую погружен радиатор 6 охлаждения двигателя 1. Теплообменника 5 охлаждения генератора тепловой энергии может и не быть. Тогда выход теплообменника 3 для теплоносителя системы будет связан с ее входом для ее теплоносителя.
Установка содержит тепловой насос 7, включающий компрессор 8 с холодным контуром 9 и теплым контуром 10, заполненными теплоносителем теплового насоса 7, например фреоном. Холодный контур 9 теплового насоса 7 помещен в барботер 11, который частично заполнен жидкостью - теплоносителем барботера 11, например водой, с образованием воздушной полости в верхней его части. Воздушная полость необходима для сбора выхлопных газов, поднявшихся из теплоносителя барботера 11. В теплоноситель барботера 11 погружен канал 12 выхлопного газа из теплообменника 3 выхлопного газа, в поверхности канала 12 выполнено множество отверстий для выхода выхлопных газов в виде пузырьков в теплоноситель барботера 11. Канал 12 выхлопного газа может иметь количество ответвлений больше одного. Барботер 11 снабжен входом для канала 12 выхлопного газа, который расположен в части его, заполненной теплоносителем барботера. Барботер 11 снабжен выходом в атмосферу повторно отработанного выхлопного газа, который расположен в воздушной его полости. Холодный контур 9 также погружен в теплоноситель барботера 11. Теплый контур 10 теплового насоса 7 расположен в теплообменнике 13 теплого контура и погружен в теплоноситель системы. Теплообменник 13 теплого контура связан своим входом для теплоносителя системы с обраткой системы отопления и/или входом холодной воды для использования установки для горячего водоснабжения, выходом для теплоносителя системы - со входом теплообменника 3 выхлопных газов для теплоносителя системы. Компрессор 8 теплового насоса 7 включен между выходом холодного контура 9 для теплоносителя теплового насоса 7 и входом теплого контура 10 для теплоносителя теплового насоса 7. Тепловой насос 7 установки может быть выполнен на базе кондиционерного оборудования от автомобиля иностранной марки или любого подходящего по характеристикам кондиционера. В установке использовано стандартное газобалонное оборудование первого поколения, адаптированное для работы с метаном и пропан-бутановой смесью или иное оборудование для исходного топлива.
Установка, собранная на базе двигателя автомобиля ВАЗ 2106, работает следующим образом.
Теплообменники: 13 теплого контура, 3 выхлопных газов, 5 системы охлаждения двигателя 1 - за счет указанных выше связей между ними заполняются теплоносителем системы отопления через обратку. Заводится двигатель 1 внутреннего сгорания, работающий от сгорания исходного топлива: природного газа, дизельного топлива и др. при начальной температуре 20°С. При работе двигатель 1 начинает нагреваться, нагревая радиатор 6 охлаждения двигателя в теплообменнике 5 до 90°С, за счет чего происходит нагрев теплоносителя системы отопления. Нагретый таким образом теплоноситель подается на вход системы отопления здания.
Одновременно с описанными процессами при сгорании исходного топлива в двигателе 1 происходит образование нагретого до температуры 700-1800°С выхлопного газа, в основном двуокиси углерода и пара. Горячий выхлопной газ канализируется и подается в канал 4 выхлопных газов теплообменника 3 выхлопных газов, заполненного теплоносителем системы. Тепло от нагретого выхлопного газа передается к теплоносителю системы в теплообменнике 3 выхлопных газов. В теплообменнике 3 выхлопных газов имеет место теплообмен между теплоносителем системы и выхлопным газом. В результате такого теплообмена теплоноситель системы нагревается примерно до 70°С и подается также в систему через теплообменник 5. Отработанный, уже отдавший частично свое тепло выхлопной газ с температурой 25-70°С (http://www.mukhin.ru/teplo/aueipulsar.html) силой давления четвертого такта хода поршня ДВС 1 подается в барботер 11 по каналу 12 выхлопных газов. Барботер 11 заполнен своим теплоносителем: водой или другой жидкостью с температурой ниже, чем температура теплоносителя в системе и составляющей около 3-4°С из соображения эффективности теплопередачи границы газ-жидкость. Указанная температура выбрана для теплоносителя барботера в виде воды и может изменяться от его вида. Чем ниже температура жидкости барботера, тем лучше. Теоретически она может быть равна температуре кипения фреона - минус 42°С. Теплоноситель в барботере 11 от контакта введенного в него под давлением выхлопного газа через мелкие отверстия канала 12 выхлопного газа хорошо перемешивается с ним, и происходит дополнительный активный теплообмен теплоносителя с уже отработанным, частично отдавшим свое тепло в теплообменнике 3, но еще достаточно горячим выхлопным газом двигателя 1. После этого выхлопные газы выходят из воды барботера 11 в воздушную его полость примерно с температурой 5-8°С и далее - в атмосферу. Нагреваясь от все еще горячего выхлопного газа до температуры 4-6°С, теплоноситель барботера 11 передает полученное им тепло через контакт его с поверхностью холодного контура 9 в теплоноситель теплового насоса 7, и, нагретый таким образом в холодном контуре до температуры 4-6°С теплоноситель теплового насоса 7 через компрессор 8 теплового насоса 7 передается в теплый контур 10 для нагревания теплоносителя теплового насоса. Будучи погруженным в теплоноситель системы отопления и/или горячего водоснабжения, теплый контур 10 нагревает теплоноситель системы примерно до 40°С. Далее дополнительно нагретый теплоноситель системы через теплообменник 3 выхлопного газа и далее через теплообменник 5 системы охлаждения двигателя 1 передается также на вход системы, доводя общую температуру теплоносителя системы отопления до 90°С.
Таким образом, нагретый разными способами: в теплообменнике 13 теплого контура 10 за счет остаточного тепла выхлопных газов в барботере 11, в теплообменнике 3 выхлопного газа, в теплообменнике 5 системы охлаждения двигателя 1, теплоноситель подается в систему отопления здания и/или в бойлерную для подачи горячей воды в здание.
Дополнительно охлажденный выхлопной газ с температурой примерно в 5-8°С попадает в окружающую атмосферу, снижая потери тепловой энергии по сравнению с прототипом. Если у прототипа температура выходящих в атмосферу газов не может быть ниже температуры теплоносителя, уходящего в систему отопления, т.е. примерно 90°С, то в предложенной конструкции температура уходящих газов существенно ниже, что обеспечивает уменьшение потерь тепловой энергии более 10-ти крат. Как видно из работы предложенной установки, одновременно обеспечивается и условие нормальной бесперебойной работы при соблюдении условия температуры выхода выхлопных газов в окружающую среду не ниже температуры среды, куда осуществлен выхлоп (это барботер 11, а не атмосфера), и нагревание не атмосферы, а теплоносителя барботера 11 путем дополнительного теплообмена.
КПД в установках, сходных с прототипом, составляет примерно 34%, а для установки с конструкцией, выполненной в соответствии с изобретением, кпд равен 73-74%. Для получения указанных данных было произведено сравнение эксплуатационных характеристик установки по прототипу и установки по изобретению. Эксплуатационные характеристики прототипа получены с сайта http://yanmar-co.ru/products/cp/spec.html. В соответствии с его данными кпд установки составляет 85%, который состоит из двух составляющих: 33,5%, приходящиеся на процессы получения механической энергии и трансформации ее электрогенератором в электрическую энергию, и 51,5%, приходящиеся на утилизацию отводимого тепла через радиатор охлаждения в теплообменнике охлаждения двигателя и в теплообменнике выхлопных газов ДВС. Из 100% сгоревшего тепла на механическую энергию ушло 33,5%, а 66,5% тепла осталось для передачи теплоносителю. Из оставшегося сгоревшего тепла в 66,5% только 51,5% идет на утилизацию, т.е. реальное тепло, направленное в теплоноситель установки по прототипу, составляет 66,5×0,515=34,25%. При этом потери тепла, уходящие в атмосферу для установки по прототипу, составляют 66,5-34,25=32,25%. Реальный кпд прототипа составляется из 33,5% за счет выработки электрической энергии и 34,25% за счет тепла, направленного на его утилизацию в теплоноситель, что в сумме составит 67,75% и отличается от продекларированных на сайте 85%.
Для испытаний и тепловых расчетов работы установки были собраны два ее реальных образца на базе 4-тактного ДВС автомобиля марки ВАЗ 2106 с использованием электрогенератора Электром 2340.3771-152 от автомобиля КАМАЗ; один был собран с теплообменником охлаждения ДВС с радиатором и теплообменником выхлопных газов, без барботера и теплового насоса, второй - как и первый, но только в соответствии с изобретением, в конструкцию которого были добавлены барботер и тепловой насос.
Для обоих образцов был произведен замер мощности на выходе электрогенератора КАМАЗ. С учетом кпд этого генератора в 82%, взятого из паспорта генератора, кпд выработки электрической энергии составляет примерно 25%, а неиспользованное тепло составляет 100% - 25%=75%. Коэффициент утилизации отведенного тепла в первом образце составляет 51%, как указано на вышеприведенном сайте, а для второго образца с барботером и тепловым насосом будет 78%. С учетом коэффициента утилизации отведенного тепла из 75% количество тепла, переданное в теплоноситель системы, составляет 75%×0,78=58,5% из общего выработанного тепла. Тогда реальный кпд для первого образца составит 58,5%+25%=83,5%, а в потери (выхлоп в атмосферу) уйдет 16,5%. Во второй же модели потерь в 16,5% не будет, т.к. отработанные после теплообменника выхлопные газы будут направлены в барботер для дополнительной утилизации тепла. Реальный кпд для второго образца, выполненного в соответствии с изобретением, составит 98-99%, т.к. остаточное тепло выхлопных газов за счет теплового насоса практически полностью перейдет в теплоноситель системы. Если из общего кпд установки исключить кпд выработки электрической энергии 98%-25%, получим цифры реального кпд установки в соответствии с изобретением в 73%, который соответствует количеству тепловой энергии, ушедшей на нагрев теплоносителя системы. Сравнивая 73% для второго образца с использованием изобретения с 58,5% для первого образца без барботера и теплового насоса (прототип), получим реальный выигрыш в кпд. Реальный же кпд передачи тепла в теплоноситель из данных сайта со.ru/products/cp/spec.html составляет только 34,25%.
Тепловые расчеты показывают, что при использовании в установке двигателя внутреннего сгорания для автомобиля ВАЗ 2106 и потреблении им исходного жидкого пропан-бутана при обогреве 2-этажного дома общей плошадью 300 кв.м, отвечающего лучшим современным стандартам теплосбережения, затраты составят 50 кг (около 100 л) этого топлива на 87 дней отопительного сезона.