МОБИЛЬНАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к области автономной теплоэнергетики и когенерационных установок и предназначена для одновременного производства электро- и тепло энергии в условиях стационарного и нестационарного использования.
Известна дизельная электротеплостанция (Патент SU 1760147, МПК F02G 5/00, F02G 5/04, 1992 г.) для совместной выработки электрической и тепловой энергии, содержащая электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющего систему газовыхлопа, в которой установлен теплообменник-утилизатор теплоты отработавших газов ДВС.
Недостатком этой установки является низкая ее эффективность, связанная с низким коэффициентом полезного действия (КПД) получения тепловой энергии, так как в ней не утилизируется теплота, отводимая с моторным маслом, охлаждающей жидкостью блока цилиндров и воздухом обдува.
Известна теплоэнергетическая установка (Патент РФ №2280777, МПК F02G 5/04, 2006 г.), состоящая из электрогенератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющего системы охлаждения моторного масла, блока цилиндров, наддува, газовыхлопа, каждая из которых имеет теплообменник - утилизатор теплоты.
Однако необходимо учитывать, что возможен режим работы теплоэнергетической установки, когда нет необходимости в выработке тепловой энергии (например, в летние месяцы), но есть потребность в электрической. В этом случае отработанные газы и охлаждающая жидкость ДВС направляются, минуя теплообменники-утилизаторы их теплоты. При этом отработавшие газы ДВС выбрасываются в окружающую среду, а охлаждающая жидкость ДВС направляется в радиатор. В радиаторе тепловая энергия охлаждающей жидкости рассеивается также в окружающую среду. Также возможен режим работы теплоэнергетической установки, когда необходима выработка преимущественно тепловой энергии (например, в ночные часы). В этом случае ввиду уменьшения нагрузки на электрогенератор уменьшается нагрузка на ДВС, что неизбежно ведет к снижению выработки им тепловой энергии. При работе рассматриваемой теплоэнергетической установки на вышеприведенных режимах выработка только электрической или тепловой энергии ведет к существенному снижению ее КПД, а значит и эффективности установки в целом.
Известна автономная когенерационная энергоустановка (Патент РФ №2162534 РФ, МПК F02G 5/02, 1999 г.), включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стерлинга) с электрогенератором на одном валу, теплообменник-утилизатор тепла отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя и систему внешнего теплоснабжения с потребителями тепла. При этом она снабжена единым замкнутым контуром передачи тепла от двигателя к потребителям тепла, состоящем из линии подачи горячей воды к внешним потребителям тепла, проходящей через рубашку охлаждения двигателя, теплообменника-утилизатора тепла отработанных газов двигателя, циркуляционного насоса и линии возврата охлажденной воды, идущей от потребителей тепла к рубашке охлаждения двигателя.
Недостатком устройства является использование достаточно горячей воды, возвращающейся от потребителей, для охлаждения двигателя, что снижает эффективность его охлаждения и может привести к закипанию воды в системе. Кроме этого, для нагрева воды используется только тепловая энергия (выхлопных газов и рубашки двигателя), и не используется вырабатываемая генератором электрическая энергия (в случае отсутствия необходимости или малой необходимости ее использования по прямому назначению), при этом двигатель работает на низких оборотах, что сказывается на количестве выделяемой им тепловой энергии, соответственно снижается КПД установки и ее эффективность.
Наиболее близким устройством является установка с двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга (Патент РФ №2440504, МПК F02G 1/043, F02G 5/04, F25B 27/02, 2010 г.), содержащая двигатель внутреннего сгорания (ДВС), соединенный с электрогенератором, систему охлаждения ДВС с гидролинией, насосом и теплообменником утилизации теплоты, систему утилизации теплоты отработанных газов ДВС с гидролинией и теплообменником, теплообменник для передачи теплоты потребителям по гидролинии подачи воды с насосом и регулирующим элементом в виде вентиля, двигатель Стирлинга с нагревателем, охладителем, электрогенератором, системой охлаждения с насосом и гидролинией, камерой сгорания, системой утилизации теплоты с насосом, абсорбционный тепловой насос с гидролинией, газификатор, магистрали отработанных газов и генераторного газа.
При работе установки в режиме, когда необходима выработка преимущественно тепловой энергии (например, в ночные часы) ввиду уменьшения нагрузки на электрогенератор уменьшается нагрузка на ДВС, что неизбежно ведет к снижению выработки им тепловой энергии. При этом излишки вырабатываемой электрогенераторами электроэнергии не используются. Это ведет к существенному снижению КПД установки, а значит и эффективности установки в целом. Кроме того, в установке отсутствует возможность автоматического регулирования (например, с помощью микропроцессорного блока управления) режимов работы электродвигателей с электрогенераторами, систем охлаждения двигателей и системы подачи воды потребителю. Это приводит к работе установки в неэффективных режимах, что также снижает ее КПД.
Задачей технического решения является повышение эффективности энергоустановки за счет использования излишков вырабатываемой электрической энергии и автоматического контроля и регуляции ее работы.
Технический результат полезной модели заключается в повышении коэффициента полезного действия установки.
Указанный технический результат достигается при использовании мобильной когенерационной энергоустановки, содержащей двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, систему его охлаждения с насосом, теплообменником утилизации теплоты и гидролинией, магистраль отработанных газов с теплообменником утилизации теплоты отработанных газов двигателя и гидролинию подачи воды потребителю с насосом и регулирующим элементом, при этом в гидролинии подачи воды потребителю установлен электрический нагревательный элемент, а установка снабжена блоком управления, связанным своим входом с электрогенератором и выходами с двигателем внутреннего сгорания, электрическим нагревательным элементом, насосом и регулирующим элементом гидролинии подачи воды потребителю, и насосом системы охлаждения.
Отличиями заявляемого устройства является его конструктивное исполнение, при котором вода, проходящая через теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов двигателя и гидролинию подачи воды потребителю, нагревается дополнительно с помощью электрического нагревательного элемента, работа которого контролируется блоком управления энергоустановкой. В случае наличия излишков вырабатываемой электрической энергии либо отсутствия ее потребления информация об этом поступает на вход блока управления, который подключает электрический нагревательный элемент, способный работать на нескольких заданных уровнях мощности. Это позволяет превращать излишки вырабатываемой электрической энергии в тепловую, которая идет на дополнительный нагрев воды, что приводит к повышению коэффициента полезного действия энергоустановки. Кроме этого, выходы блока управления связаны с двигателем, насосом системы охлаждения двигателя, а также насосом и регулирующим элементом системы подачи воды потребителю, что позволяет задавать различные режимы работы установки в зависимости от вида и объема потребляемой энергии. Все это повышает КПД и эффективность установки в целом.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, изображенной на фигуре.
Мобильная когенерационная энергоустановка содержит двигатель 1 (например, двигатель внутреннего сгорания ДВС или двигатель Стирлинга) с электрогенератором 2 на одном валу, теплообменник-утилизатор 3 теплоты отработанных газов двигателя, связанный с двигателем 1 магистралью отработанных газов 4. Система внешнего теплоснабжения 5 с потребителями тепла, выполненная, например, в виде радиатора или дополнительного накопителя воды, связана с теплообменником-утилизатором 3 гидролинией подачи воды потребителю 6 с дополнительной гидролинией 7 с вентилем 8 для непосредственной подачи горячей воды потребителю, а также гидролинией возврата охлажденной воды 9 с циркуляционным насосом 10, проходящей через теплообменник 11 утилизации теплоты системы охлаждения двигателя, включающей рубашку охлаждения двигателя 12, гидролинию 13 и циркуляционный насос 14. Гидролиния подачи холодной воды 15 с регулирующим клапаном 16 связывает теплообменник-утилизатор 3 с насосом 17, установленным в водоеме или накопителе холодной воды 18. В гидролинии подачи воды потребителю 6 установлен электрический нагревательный элемент 19 и датчик температуры 20, при этом электрический нагревательный элемент 19 связан с выходом микропроцессорного блока управления 21, а датчик температуры 20 связан с его входом. С входом блока управления 21 также связан электрогенератор 2, а с его выходами - двигатель 1, циркуляционные насосы 10 и 14, регулирующий клапан 16 и насос 17. С выходом электрогенератора 2 связана система потребления электрической энергии 22 (например, розетка или электросеть). Блок управления 21 также содержит устройство ввода информации 23 (например, кнопки, сенсорная панель или пульт управления) и устройство вывода информации 24 (например, дисплей или экран смартфона).
Мобильная когенерационная энергоустановка работает следующим образом. Пользователем с помощью устройства ввода информации 23 задается необходимый режим работы установки и требуемая температура горячей воды. Управление установкой осуществляется с помощью микропроцессорного блока управления 21. При этом необходимая информация о температуре и режиме работы установки отображается на устройстве вывода информации 24. В случае отсутствия воды в установке открывается регулирующий клапан 16, и включается насос 17, происходит заполнение установки водой через гидролинию подачи холодной воды 15 из водоема или накопителя холодной воды 18. После этого, если регистрируемая датчиком 20 температура воды в гидролинии 6 на выходе из теплообменника-утилизатора 3 окажется меньше заданной, включаются циркуляционные насосы 10 и 14, и запускается двигатель 1 с электрогенератором 2. Выхлопные газы по магистрали отработанных газов 4 попадают в теплообменник-утилизатор 3, отдают свою тепловую энергию воде и отводятся в атмосферу. Нагретая охлаждающая жидкость (например, антифриз) от рубашки охлаждения двигателя 12 по гидролинии охлаждающей жидкости 13 попадает в теплообменник 11 и отдает свою тепловую энергию воде. При этом происходит нагрев воды. В случае, если электрическая энергия, вырабатываемая электрогенератором 2 используется потребителями электрической энергии 22 не в полном объеме (при этом двигатель 1 работает не на полную мощность), то с помощью блока управления 21 включается электрический нагревательный элемент 19, который производит дополнительный нагрев воды в гидролинии 6 подачи воды потребителю. Нагретая вода при этом попадает в систему внешнего теплоснабжения 5 с потребителями тепла и используется для теплоснабжения, или просто циркулирует по замкнутому кругу и с помощью циркуляционного насоса 10 по гидролинии охлажденной воды 9 возвращается обратно в теплообменник 11. В случае необходимости непосредственной подачи горячей воды потребителю она поступает по дополнительной гидролинии 7 через открытый вентиль 8. При этом потери воды автоматически компенсируются через гидролинию подачи холодной воды 15 из водоема или накопителя холодной воды 18 с помощью насоса 17 через регулирующий клапан 16, связанный с блоком управления 21.
Использование мобильной когенерационной установки в таком исполнении позволяет повысить коэффициент полезного действия получения тепловой энергии, так как для этой цели кроме энергии отработанных газов и охлаждающей жидкости используются излишки вырабатываемой электрической энергии. При этом управление установкой осуществляется от микропроцессорного блока управления, это позволяет задавать различные режимы работы установки в зависимости от вида и объема потребляемой энергии и эффективно контролировать их, управляя установкой в автоматическом режиме. Все это повышает КПД и эффективность установки в целом.
Кроме того, установка может быть выполнена достаточно компактной и оборудована дополнительной линией для непосредственной подачи горячей воды потребителю и линией подачи холодной воды для пополнения установки водой в случае необходимости, это придает ей мобильность и позволяет использовать ее в виде дополнительного источника электрической и тепловой энергии (например, при перебоях в подаче энергии или при нестационарном использовании).
Таким образом, установка в гидролинии подачи воды потребителю электрического нагревательного элемента в сочетании с автоматизированным микропроцессорным блоком управления контроля работы мобильной когенерационной энергоустановки обеспечивают повышение коэффициента полезного действия установки за счет использования излишков вырабатываемой электрической энергии.