АВТОНОМНАЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
AUTONOMOUS MULTIFUNCTIONAL POWER PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к автономным устройствам для получения тепловой и электрической энергии, и может быть использовано для электрообеспечения, отопления и горячего водоснабжения стационарных и временно развернутых помещений различного назначения, не имеющих централизованных источников энергии, в т.ч. в походных или аварийных условиях.
Известна автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла, принятая за прототип (патент RU №2162532, F02G 5/02, 1/043, опубл. 27.01.2001 г.). Автономная стирлинг-установка для одновременного производства электроэнергии и тепла содержит преобразователь прямого цикла (двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линию подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненный в виде парогенератора, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, пароводяной насос-подогреватель, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, теплообменник-охладитель, магистраль водопровода с регулирующим клапаном, разделяющуюся на линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-охладитель в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя в пароводяной насос-подогреватель, магистраль пара высокого давления, идущую от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, магистраль системы горячего водоснабжения, идущую от пароводяного насос-подогревателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения. При этом магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.
Недостатками прототипа являются недостаточная теплопроизводительность при низкой степени механоактивации теплоносителя, низкая степень утилизации безвозвратных потерь тепловой энергии двигателя, сложность конструкции.
Предлагаемым изобретением решается задача: снижение энергозатрат при эксплуатации, упрощение конструкции.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении теплопроизводительности за счет кавитационно-вихревого воздействия на теплоноситель, снижения тепловых потерь при оптимизации общей схемы установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой энергетической установке для получения тепловой и электрической энергии, состоящей из двигателя Стирлинга с электрогенератором на одном валу, теплообменника-утилизатора отработанных газов двигателя, системы охлаждения, связанной через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, линии водопроводной воды с клапаном, новым является то, что теплообменник-утилизатор отработанных газов двигателя Стирлинга выполнен в виде вихревого теплогенератора, внутри которого соосно с ним проходит магистраль отработанных газов двигателя, теплообменник магистрали системы охлаждения связан с системой внешнего теплоснабжения первой линией напрямую, а второй линией - через вихревой теплогенератор, состоящий из разгонного устройства, завихрителя (циклона), вихревой трубы, тормоза-теплообменника, выполненного в виде перфорированных параллельных пластин, жестко установленных в пространстве между магистралью отработанных газов и внутренним диаметром вихревой трубы.
На выходе вихревого теплогенератора может быть установлена конденсационная камера.
В магистрали системы охлаждения может быть установлен регулирующий клапан.
Выполнение теплообменника-утилизатора отработанных газов двигателя Стирлинга в виде вихревого теплогенератора, внутри которого соосно с ним проходит магистраль отработанных газов, позволяет:
- во-первых, совместить процесс утилизации тепловой энергии высокотемпературных отработанных газов двигателя с процессом генерирования тепловой энергии в высокоэффективном теплогенераторе вихревого типа;
- во-вторых, уменьшить массогабаритные показатели установки в целом;
- в-третьих, благодаря вращательно-поступательному перемещению нагреваемой жидкости в вихревом теплогенераторе, обеспечить высокую степень ее контакта с разогретыми стенками высокотемпературной магистрали и добиться высокой степени перераспределения тепловой энергии отработанных газов;
- в-четвертых, сформировать и активизировать кавитационно-вихревые процессы, способствующие нагреву теплоносителя, в теплогенераторе за счет дополнительного источника повышения температуры.
Обеспечение связи теплообменника магистрали системы охлаждения с системой внешнего тепло- и горячего водоснабжения первой линией напрямую, а второй линией - через вихревой теплогенератор позволяет:
- во-первых, сформировать эффективную систему циркуляции теплоносителя и теплоотдачи во внешнюю сеть теплоснабжения;
- во-вторых, одновременно использовать для нагрева теплоносителя тепловую энергию нагретой при работе двигателя охлаждающей жидкости и высокотемпературных отработанных газов, кавитационно-вихревые процессы в вихревом теплогенераторе;
- в-третьих, за счет вышеизложенных факторов получить высокодинамичный процесс повышения температуры теплоносителя.
Формирование вихревого теплогенератора в составе разгонного устройства, завихрителя (циклона), вихревой трубы, тормоза-теплообменника, выполненного в виде перфорированных параллельных пластин, жестко установленных в пространстве между магистралью отработанных газов и внутренним диаметром вихревой трубы, позволяет:
- во-первых, осуществить классический цикл по выработке тепловой энергии в пассивном вихревом преобразователе (теплогенераторе), не имеющем в своем составе подвижных элементов, за счет разгона (ускорения), закручивания, вращательно-поступательного перемещения и торможения перед отводом потребителю поступающей под давлением на его вход обрабатываемой жидкости;
- во-вторых, передать тепловую энергию высокотемпературных отработанных газов вихревому потоку в теплогенераторе;
- в-третьих, осуществить существенный температурный скачок в жидкости при ударном ее столкновении и дальнейшем дросселировании через нагретые перфорированные пластины, добиться при определенных режимах работы двигателя и соответствующем уровне теплоотдачи в системе теплоснабжения быстрого вскипания жидкости и поддержания стабильности этого процесса;
- в-четвертых, активизировать процессы межслойного взаимодействия разнотемпературных слоев жидкости, сопровождающиеся нагревом, за счет наличия внешнего источника тепловой энергии (магистрали отработанных газов).
Установка на выходе вихревого теплогенератора конденсационной камеры позволяет произвести конденсацию вскипевшего теплоносителя перед поступлением его в систему теплоснабжения.
Установка в магистрали системы охлаждения регулирующего вентиля позволяет регулировать или полностью перекрывать расход в магистрали, тем самым перераспределяя поток охлаждающей жидкости на штатный теплообменник (радиатор) двигателя с целью достижения его теплового баланса.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны
на фиг.1 - общая схема энергетической установки для получения тепловой и электрической энергии,
на фиг.2 - схема теплообменника-утилизатора отработанных газов.
Энергетическая установка для получения тепловой и электрической энергии состоит из двигателя Стирлинга 1 с камерой сгорания 2 и системой 3 охлаждения, магистрали 4 отработанных газов, электрогенератора 5, расположенного на одном валу с двигателем 1, теплообменника-утилизатора отработанных газов, выполненного в виде вихревого теплогенератора 6, внутри которого соосно с ним проходит магистраль 4 отработанных газов двигателя, магистрали 7 системы охлаждения с насосом 8 и теплообменником 9. Второй контур теплообменника 9 связан через вентиль 10 с линией 11 водопроводной воды, а также с системой внешнего теплоснабжения первой линией напрямую, а второй линией - через насос 12, разгонное устройство 13, завихритель 14 (циклон), вихревую трубу 15 с тормозом-теплообменником 16, выполненным в виде перфорированных параллельных пластин, жестко установленных в пространстве между магистралью 4 отработанных газов и внутренним диаметром вихревой трубы 15. На выходе вихревого теплогенератора 6 установлена конденсационная камера 17, в магистрали 7 системы охлаждения установлен регулирующий вентиль 18.
Энергетическая установка работает следующим образом. После заполнения системы теплоносителем через вентиль 10 из линии 11 водопроводной воды запускается двигатель 1. Часть мощности двигателя 1 затрачивается на выработку электрической энергии в электрогенераторе 5. По магистрали 7, связанной с системой охлаждения 3 двигателя 1, при помощи насоса 8 циркулирует охлаждающая жидкость, которая отдает накопленную тепловую энергию в теплообменнике 9 теплоносителю системы теплоснабжения. Перед поступлением в систему теплоснабжения теплоноситель под давлением от насоса 12 ускоряется в разгонном устройстве 13 вихревого теплогенератора 6, внутри которого по его оси расположена магистраль 4 отработанных газов, связанная с камерой сгорания 2 двигателя 1. Далее жидкость с высокой скоростью закручивается в завихрителе 14 (циклоне) и, вращаясь, перемещается по вихревой трубе 15, дополнительно нагреваясь от контакта с магистралью 4 отработанных газов. На выходе из вихревой трубы 15 теплоноситель тормозится в тормозе-теплообменнике 16, выполненном в виде перфорированных параллельных пластин, жестко установленных в пространстве между магистралью 4 отработанных газов и внутренним диаметром вихревой трубы 15. При торможении происходит интенсивный кавитационный процесс, сопровождающийся нагревом жидкости. Жидкость вскипает. Этому способствует процесс теплоотдачи в жидкость от перфорированных пластин тормоза-теплообменника 16, раскаленных высокотемпературными отработанными газами, движущимися в магистрали 4. Для перевода жидкости из двухфазного состояния с преимущественно газовой составляющей в состояние с преобладающей жидкостной составляющей на выходе вихревого теплогенератора может быть установлена конденсационная камера 17. Для достижения необходимого теплового баланса при работе двигателя 1 в магистрали 7 системы охлаждения может быть установлен регулирующий вентиль 18.
Таким образом, в предлагаемой энергетической установке для получения тепловой и электрической энергии решена задача по достижению технического результата, заключающегося в повышении теплопроизводительности при снижении тепловых потерь за счет включения в состав эффективно функционирующего, экологически чистого кавитационно-вихревого теплогенерирующего элемента.