СИСТЕМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
SYSTEM FOR PRODUCTION OF THERMAL AND ELECTRICAL ENERGY BASED ON AN EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено одновременно для получения тепловой и электрической энергии.
Из существующего уровня техники известна комбинированная система для одновременного производства тепловой и электрической энергии на основе водогрейной котельной установки [RU 2261335, опубл. 27.09.2005], состоящая из водогрейного котла, системы теплоснабжения потребителей с сетевым насосом и линии подпиточной воды, двигателя внешнего сгорания (двигателя Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, промежуточным контуром подогрева, состоящим из компрессора и теплообменника, расположенного в дымоходе котельной установки, проходящим через нагреватель двигателя Стирлинга, при этом линия подпиточной воды проходит через холодильник двигателя Стирлинга.
Недостатком данной комбинированной установки является невысокая эффективность процесса, обусловленная передачей тепла от дымовых газов, нагревающих теплоноситель теплообменника промежуточного контура, передающего тепло рабочей части двигателя Стирлинга.
Также из уровня техники известна бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система [RU 2294045, опубл. 20.02.2007], содержащая бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат с источником питания топливом, который вырабатывает отдаваемую электроэнергию и отдаваемое тепло, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в тепле. При этом бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат включает двигатель Стирлинга, содержащий горелку для подвода тепловой энергии к головке двигателя для приведения в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока.
Недостатком данного технического решения является необходимость применения дорогого жидкого или газообразного топлива для нагрева головки двигателя Стирлинга и недостаточная гибкость системы при перераспределении тепловой и электрической энергии.
Также близким по технической сущности является автономная микро-ТЭЦ на газовом топливе с использованием свободнопоршневого двигателя Стирлинга [RU 2645107, опубл. 15.02.2018], включающая модуль электрогенерирующего устройства, в состав которого входит двигатель Стирлинга, основная газовая горелка, синхронный линейный генератор с постоянными магнитами и система охлаждения двигателя; а также модуль теплогенерирующего устройства, включающий теплогенератор, дополнительную газовую горелку и аварийный охладитель.
Основной технической проблемой данного изобретения является конструктивное разделение газовой горелки на две части - для нагрева головки двигателя Стирлинга и для нагрева теплогенератора, что влечет повышение конструктивной сложности и снижение КПД, на который также влияет отсутствие подогрева топлива и воздуха перед их воспламенением. Использование газа в качестве топлива приводит к повышению стоимости произведенной тепловой и электрической энергии.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является установка когенерационная на базе двигателя внешнего сгорания, предназначенная для энергообеспечения потребителя тепловой и электрической энергиями [RU 191262, опубл. 31.07.2019], содержащая котел с дымоходом для отвода тепла продуктов горения топлива потребителю тепловой энергии и нагрева рабочей части двигателя внешнего сгорания, кинематически связанного с генератором электрической энергии, подключенным к потребителю электрической энергии.
Недостатки данного устройства заключаются в сложности установки и невысокой эффективности передачи тепла к теплообменнику двигателя внешнего сгорания посредством газообразных продуктов горения.
Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции для получения тепла и электроэнергии, а также повышении эффективности передачи тела.
Технический результат достигается тем, что в системе для производства тепловой и электрической энергии на основе двигателя внешнего сгорания, состоящей из котла и двигателя внешнего сгорания, кинематически соединенного с электрогенератором, новым является то, что внутри котла расположен первичный теплообменник, соединенный с горячим теплообменником двигателя внешнего сгорания контуром с жидким теплоносителем, а холодный теплообменник двигателя внешнего сгорания соединен вторичным контуром со вторичным теплообменником, отдающим тепло потребителям, при этом оба контура снабжены насосами. При этом двигатель внешнего сгорания может быть выполнен в виде двигателя Стирлинга, а в качестве жидкостного теплоносителя в контуре может циркулировать термомасло.
Отличие заявляемого изобретения от наиболее близкого аналога заключается в том, что внутри котла расположен первичный теплообменник, соединенный с горячим теплообменником двигателя внешнего сгорания контуром с жидким теплоносителем, а холодный теплообменник двигателя внешнего сгорания соединен вторичным контуром со вторичным теплообменником, при этом оба контура снабжены насосами. При этом двигатель внешнего сгорания может быть выполнен в виде двигателя Стирлинга, а в качестве жидкостного теплоносителя в контуре может циркулировать термомасло.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях, и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На фигуре 1 представлена принципиальная схема предложенной системы для производства тепловой и электрической энергии на основе двигателя внешнего сгорания.
Заявляемая система состоит из котла 1, в котором находится первичный теплообменник 2, двигателя внешнего сгорания 3 с горячим 4 и холодным 5 теплообменниками, соединенных контуром с жидким теплоносителем 6, кинематически связанного с двигателем внешнего сгорания посредством вала 7 электрогенератора 8, соединенного с электронным контролером 9. Холодный теплообменник 5 двигателя внешнего сгорания 35 соединен вторичным тепловым контуром 10 со вторичным теплообменником 11. Циркуляция теплоносителей в системе обеспечивается посредством насоса 12 контура с жидким теплоносителем 6 и насоса 13 вторичного теплового контура 10.
Данная система для производства тепловой и электрической энергии на основе двигателя внешнего сгорания работает следующим образом.
В котле 1 под действием тепла от сгорающего топлива в первичном теплообменнике 2 до необходимой температуры нагревается жидкий теплоноситель (например, термомасло), передающий тепло по контуру с жидким теплоносителем 6 на горячий теплообменник 4 двигателя внешнего сгорания 3, в свою очередь, передающий тепло рабочему телу (на фигуре отдельно не обозначено) двигателя внешнего сгорания 3. После чего остывший теплоноситель прокачивается сквозь насос 12 и возвращается на вход первичного теплообменника 2 внутри котла 1, где он опять нагревается.
Полученное двигателем внешнего сгорания 3 тепло преобразуется в механическую энергию, передающуюся посредством вала 7 на электрогенератор 8, вырабатывающий электрическую энергию, которая поступает на вход электронного контролера 9 и трансформируется в ток нужного напряжения и частоты для передачи во внешнюю сеть (потребителю).
Холодный теплообменник 5 двигателя внешнего сгорания 3 омывается жидким теплоносителем (вода, антифриз), циркулирующим по вторичному контуру 10 к вторичному теплообменнику 11 посредством насоса 13, и нагревает его. Вторичный теплообменник 11, в свою очередь, нагревает теплоноситель, поступающий к потребителям тепловой энергии (отдельно не обозначено).
Заявляемое техническое решение приводит к упрощению конструкции для получения тепла и электроэнергии, а также повышении эффективности передачи тела, поскольку наличие теплового контура с жидким теплоносителем исключает необходимость использования оребрения большой площади для теплообменника двигателя внешнего сгорания, а также кожуха большого сечения, передающего топочные газы от котла к горячему теплообменнику двигателя, ввиду их малой объемной теплоемкости и теплопроводности.
Хотя эффективность (КПД) двигателя внешнего сгорания при данных рабочих температурах составляет величину ~20-25%, использование вторичной тепловой энергии, отдаваемой двигателем внешнего сгорания, позволяет достичь интегральной эффективности данной системы для одновременного производства тепловой и электрической энергии в 85-90%. Такая эффективность обеспечивается минимальными теплопотерями только за счет теплоизлучения и конвекции от котла, двигателя и контура теплоносителя.