ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
POWER INSTALLATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к установкам для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы.
Известна энергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащая электрический генератор с приводом от ДВС, имеющего системы газовыхлопа и охлаждения блока цилиндров, в которых установлены теплообменники-утилизаторы теплоты отработавших газов и охлаждающей жидкости, SU 1560763 A1.
Недостатком известной установки является ее низкая экономичность ввиду того, что в ней не утилизируется теплота, отводимая с моторным маслом и наддувочным воздухом.
Известна также энергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащая электрический генератор с приводом от ДВС, имеющего системы: охлаждения моторного масла, охлаждения блока цилиндров, наддува и газовыхлопа, в которых установлены теплообменники-утилизаторы теплоты, при этом система охлаждения моторного масла включена между выходом двигателя и его входом, система охлаждения блока цилиндров включена между другим выходом и другим входом двигателя, система наддува подсоединена к следующему входу двигателя, а система газовыхлопа подсоединена к следующему выходу двигателя, RU 2171913.
Данная установка не обеспечивает достаточного охлаждения блока цилиндров ДВС, наддувочного воздуха и моторного масла ввиду отсутствия соответствующего теплоотвода при высоких температурах или малых расходах теплоносителя внешней тепловой сети потребителей теплоты. В результате возникает перегрев ДВС и соответственно снижаются эффективность выработки энергии и надежность установки.
Решение задачи обеспечения необходимого отвода тепла от ДВС при любых эксплуатационных режимах и тем самым повышения эффективности и надежности установки обеспечивает энергетическая установка RU 2280777.
Данная установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии содержит электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, содержащего коленчатый вал, имеющего системы: охлаждения моторного масла, охлаждения блока цилиндров, содержит датчик температуры, наддува, газовыхлопа, каждая система имеет теплообменник-утилизатор теплоты, при этом система охлаждения моторного масла включена между первым выходом двигателя и его первым входом, система охлаждения блока цилиндров включена между вторым выходом и вторым входом двигателя, система наддува подсоединена к третьему входу двигателя, а система газовыхлопа подсоединена к третьему выходу двигателя; теплообменники-утилизаторы теплоты системы наддува и системы охлаждения моторного масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, в которую между вторым выходом двигателя и ее теплообменником-утилизатором теплоты включен терморегулирующий клапан, имеющий один вход и два выхода, причем ко второму выходу двигателя подключен вход терморегулирующего клапана, а его первый выход соединен с теплообменником-утилизатором теплоты системы охлаждения блока цилиндров, при этом установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным между теплообменниками-утилизаторами теплоты системы наддува и системы охлаждения блока цилиндров, между дополнительным теплообменником и теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува включен циркуляционный насос, причем с теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува соединен выход циркуляционного насоса, а с дополнительным теплообменником соединен его вход, к которому подключен второй выход терморегулирующего клапана, при этом дополнительный теплообменник снабжен системой принудительного охлаждения - вентилятором, датчиком температуры системы охлаждения блока цилиндров.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является нерациональный расход электроэнергии на собственные нужды установки, которая затрачивается на питание привода вентилятора. В зависимости от мощности установки эти потери, связанные с двукратным преобразованием энергии - механической энергии двигателя внутреннего сгорания в электрическую и обратно в механическую энергию, обеспечивающую вращение крыльчатки вентилятора, составляют 3-7%, что существенно снижает эффективность энергетической установки. Кроме того, недостатком прототипа является наличие весьма мощного и дорогостоящего двигателя вентилятора, мощность которого составляет 10-15% мощности двигателя внутреннего сгорания.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности энергетической установки путем снижения затрат электроэнергии на собственные нужды, а также упрощение и удешевление конструкции.
Согласно изобретению в энергетической установке для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащей электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, содержащего коленчатый вал, имеющего системы: охлаждения моторного масла, охлаждения блока цилиндров, включающей датчик температуры, наддува, газовыхлопа, каждая система имеет теплообменник-утилизатор теплоты, при этом система охлаждения моторного масла включена между первым выходом двигателя и его первым входом, система охлаждения блока цилиндров включена между вторым выходом и вторым входом двигателя, система наддува подсоединена к третьему входу двигателя, а система газовыхлопа подсоединена к третьему выходу двигателя, теплообменники-утилизаторы теплоты системы наддува и системы охлаждения моторного масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, в которую между вторым выходом двигателя и ее теплообменником-утилизатором теплоты включен терморегулирующий клапан, имеющий один вход и два выхода, причем ко второму выходу двигателя подключен вход терморегулирующего клапана, а его первый выход соединен с теплообменником-утилизатором теплоты системы охлаждения блока цилиндров, при этом установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным между теплообменниками-утилизаторами теплоты системы наддува и системы охлаждения блока цилиндров, между дополнительным теплообменником и теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува включен циркуляционный насос, причем с теплообменником-утилизатором теплоты системы наддува соединен выход циркуляционного насоса, а с дополнительным теплообменником соединен его вход, к которому подключен второй выход терморегулирующего клапана, при этом дополнительный теплообменник снабжен системой принудительного охлаждения, включающей вентилятор, содержащий крыльчатку, укрепленную на оси; ось крыльчатки вентилятора соединена с коленчатым валом двигателя напрямую или посредством передачи, при этом между крыльчаткой и дополнительным теплообменником установлена управляемая заслонка с приводом, снабженным блоком управления, соединенным с датчиком температуры.
Благодаря реализации отличительных признаков изобретения достигается новое свойство установки, состоящее в исключении двойного преобразования энергии для обеспечения работы вентилятора системы охлаждения дополнительного теплообменника, а также исключение необходимости наличия приводного двигателя вентилятора.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Энергетическая установка для совместной выработки электрической и тепловой энергии содержит электрический генератор 1 с приводом 2, который соединяет его с двигателем 3 внутреннего сгорания, например дизелем. Двигатель 3 имеет системы: охлаждения моторного масла, охлаждения блока цилиндров, наддува и газовыхлопа; система охлаждения моторного масла имеет теплообменник-утилизатор 4 теплоты, система охлаждения блока цилиндров дизеля имеет теплообменник-утилизатор 5 теплоты; система наддува имеет теплообменник-утилизатор 6 теплоты и воздухозаборник 7; система газовыхлопа имеет теплообменник-утилизатор 8 теплоты; система охлаждения моторного масла включена между первым выходом двигателя 3 и его первым входом; система охлаждения блока цилиндров двигателя включена между вторым выходом и вторым входом двигателя; система наддува подсоединена к третьему входу двигателя, а система газовыхлопа подсоединена к третьему выходу двигателя; теплообменники-утилизаторы 4 и 6 теплоты соответственно системы наддува и системы охлаждения моторного масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, в которую между вторым выходом двигателя и ее теплообменником-утилизатором 5 теплоты включен терморегулирующий клапан 9, который имеет один вход и два выхода; ко второму выходу двигателя 3 подключен вход терморегулирующего клапана 9, а его первый выход соединен с теплообменником 5; установка снабжена дополнительным теплообменником 10, включенным между теплообменниками-утилизаторами 6 и 5 теплоты систем наддува и охлаждения блока цилиндров; между дополнительным теплообменником 10 и теплообменником-утилизатором 6 теплоты системы наддува включен циркуляционный насос 11, причем с теплообменником 6 соединен выход циркуляционного насоса 11, а с теплоприемником 10 - вход насоса 11; к этому входу подключен второй выход терморегулирующего клапана 9. Теплообменник 10 снабжен системой принудительного охлаждения; в конкретном примере эта система включает вентилятор, содержащий крыльчатку 12, укрепленную на оси 13, которая в конкретном примере напрямую жестко соединена с коленчатым валом 18 двигателя 3; возможно также соединение оси 13 с валом 18 посредством передачи, например зубчатой. Между крыльчаткой 12 и дополнительным теплообменником 10 установлена управляемая заслонка, в данном примере жалюзи 19, с маломощным приводом электродвигателя 20, снабженным блоком 21 управления, соединенным с датчиком 14 температуры системы охлаждения блока цилиндров. В системе газовыхлопа между двигателем 3 и теплообменником-утилизатором 8 теплоты имеется запорно-регулирующий орган (ЗРО) 15. Выброс отработавших газов от двигателя в атмосферу осуществляется через ЗРО 16. Потребители электрической энергии подключаются к генератору 1 через коммутационное устройство 17.
Установка работает следующим образом.
Возможны три режима функционирования:
1) режим запуска и прогрева двигателя;
2) режим совместной выработки электрической и тепловой энергии для нужд потребителей;
3) режим выработки электрической энергии с отводом теплоты наддувочного воздуха, моторного масла, охлаждающей жидкости блока цилиндров через дополнительный теплообменник в окружающую среду.
Режим функционирования №1.
При запуске и прогреве двигателя коммутационное устройство 17 отключено, и генератор 1 не вырабатывает электрическую энергию. При этом также закрыт ЗРО 15 и открыт ЗРО 16, и отработавшие газы двигателя 3 выбрасываются в атмосферу. В системе охлаждения блока цилиндров закрыт первый и соответственно открыт второй выход терморегулирующего клапана 9, и вся жидкость системы охлаждения блока цилиндров после двигателя поступает на вход циркуляционного насоса 11, который подает ее через подключенные последовательно теплообменники-утилизаторы 6 и 4 на вход двигателя, при этом теплообменник-утилизатор 5 отключен от внешней тепловой сети потребителей теплоты. Крыльчатка 12 вращается, заслонка 19 находится в закрытом положении. После достижения температурой жидкости на выходе из двигателя значения нижнего предела, установленного предприятием-изготовителем (например, 75°С), установка переходит в режим функционирования №2.
Режим функционирования №2.
Коммутационное устройство 17 включено, генератор 1 вырабатывает электрическую энергию для питания потребителей. ЗРО 16 закрыто, а ЗРО 15 открыто и отработавшие газы двигателя 3 поступают в теплообменник-утилизатор 8. Заслонка 19 находится в закрытом положении, и воздух от крыльчатки 12 не поступает к дополнительному теплообменнику. В системе охлаждения блока цилиндров закрыт второй и соответственно открыт первый выход терморегулирующего клапана 9, и вся жидкость системы охлаждения блока цилиндров после двигателя поступает на вход терморегулирующего клапана 10, у которого соответственно закрыт первый и открыт второй выход, через который жидкость поступает в теплообменник-утилизатор 5, где охлаждается, нагревая теплоноситель внешней тепловой сети потребителя теплоты. Охлажденная жидкость насосом 11 подается последовательно в дополнительный теплообменник 10, система принудительного охлаждения которого отключена, и теплообменники-утилизаторы 6 и 4, где охлаждает поступающий через воздухозаборник 7 и сжатый в агрегате наддува (не показан) наддувочный воздух и выходящее из двигателя 3 моторное масло, после чего поступает на вход двигателя 3. Теплообменник-утилизатор 5 подключен к внешней тепловой сети потребителей теплоты. При этом «холодный» теплоноситель внешней тепловой сети проходит последовательно через теплообменники-утилизаторы 5 и 8, где нагревается до расчетной температуры тепловой сети, охлаждая соответственно жидкость системы охлаждения блока цилиндров и отработавшие газы двигателя 3, которые после охлаждения выбрасываются в атмосферу. Таким образом, установка вырабатывает и тепловую энергию для потребителей теплоты. При изменении расчетного режима работы потребителей теплоты (уменьшении теплоотвода), когда уменьшается расход или возрастает температура теплоносителя внешней тепловой сети до значений, не обеспечивающих нормальное охлаждение жидкости системы охлаждения блока цилиндров, начинает увеличиваться температура жидкости на выходе из двигателя 3. После достижения температурой жидкости на выходе из двигателя значения верхнего предела, установленного предприятием-изготовителем (например, 95°С), установка переходит в режим функционирования №3.
Режим функционирования №3.
Коммутационное устройство 17 включено, генератор 1 вырабатывает электрическую энергию для питания потребителей. ЗРО 15 закрыт, а ЗРО 16 открыт и отработавшие газы двигателя 3 выбрасываются в атмосферу. В системе охлаждения блока цилиндров закрыт второй и соответственно открыт первый выход терморегулирующего клапана 9, и вся жидкость после двигателя поступает в теплообменник-утилизатор 5, где не охлаждается до расчетной температуры из-за уменьшения расхода или температуры теплоносителя внешней тепловой сети потребителей теплоты. Таким образом, повышается температура жидкости на выходе из двигателя.
При достижении температурой жидкости на выходе из двигателя значения верхнего предела, установленного предприятием-изготовителем (например 95°С), срабатывает датчик 14, который направляет сигнал в блок управления 21, который дает команду электродвигателю 20 на открывание заслонки 19. При этом поток воздуха, создаваемый крыльчаткой 12, поступает к дополнительному теплообменнику 10 и охлаждает жидкость системы охлаждения блока цилиндров, проходящую через теплообменник 10, до расчетной температуры и тем самым снижает температуру жидкости на выходе из ДВС 3. После уменьшения температуры жидкости на выходе из двигателя ниже верхнего предела, установленного предприятием-изготовителем, установка переходит в режим функционирования №2. При этом датчик 14 направляет соответствующий сигнал в блок 21, который дает электродвигателю 20 команду на частичное или полное закрывание заслонки 19.
Для реализации способа используются известные технические средства, а также обычное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».