КОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована для преобразования химической энергии в электрическую энергию и тепловую энергию.
Известно устройство для получения электрической энергии [1], содержащее кинематически связанные двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и генератор электрической энергии. Данное техническое решение имеет низкий коэффициент использования топлива (КИТ) за счет того, что в известном устройстве не предусмотрена утилизация теплоты отработавших газов и системы охлаждения ДВС.
Известна силовая установка [2], содержащая кинематически связанные ДВС и генератор электрической энергии. Данное техническое решение обеспечивает утилизацию теплоты отработавших газов, а теплота, получаемая при работе системы охлаждения ДВС, не используется.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является описанный в [3] когенератор, выпускаемый итальянской фирмой SPARK Energy представителем, которой в России является фирма Катарсис. Известное техническое решение содержит ДВС, генератор электрической энергии, газоводяной теплообменник, предназначенный для утилизации теплоты, получаемой при работе выхлопной системы, водоводяной теплообменник, предназначенный для утилизации теплоты, получаемой при работе системы охлаждения, масловодяной теплообменник, предназначенный для утилизации теплоты, получаемой при работе системы смазки.
Недостатком прототипа является недостаточно высокий КИТ - несмотря на высокие теоретические показатели коэффициента использования топлива (80-90%) - реальный коэффициент часто не превышает 60%. Это связано с тем, что потребитель не всегда может потребить все количество тепловой энергии, произведенной когенерационной установкой, а иногда тепловой энергии может быть недостаточно. Это связанно со ступенчатостью графика потребления тепловой энергии. При недостатке тепловой энергии приходится понижать температуру теплоносителя либо его количество, а при ее избытке
происходит выброс тепловой энергии в окружающую среду. Поэтому реальный КИТ намного ниже, чем теоретический.
Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем обеспечения возможности регулировки температуры, давления и удельного расхода теплоносителя.
В соответствии с п.1 формулы полезной модели решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный когенератор, содержащий двигатель внутреннего сгорания, генератор электрической энергии, двигатель внутреннего сгорания содержит силовой блок, систему охлаждения, систему смазки, выхлопную систему, выход силового блока кинематически связан с входом генератора электрической энергии, выход генератора электрической энергии соединен с электрическим входом потребителя, система охлаждения содержит водоводяной теплообменник, система смазки содержит масловодяной теплообменник, выхлопная система содержит газоводяной теплообменник, водяной выход двигателя внутреннего сгорания соединен с первым водяным входом водоводяного теплообменника, первый водяной выход водоводяного теплообменника соединен с водяным входом двигателя внутреннего сгорания, масляный выход двигателя внутреннего сгорания соединен с масляным входом масловодяного теплообменника, масляный выход масловодяного теплообменника соединен с масляным входом двигателя внутреннего сгорания, газовый выход двигателя внутреннего сгорания соединен с газовым входом газоводяного теплообменника, внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит первый тепловой насос, второй тепловой насос, накопительный бак, второй водяной выход водоводяного теплообменника соединен с водяным входом первого теплового насоса, водяной выход первого теплового насоса соединен с водяным входом масловодяного теплообменника, водяной выход масловодяного теплообменника соединен с вторым водяным входом водоводяного теплообменника, газовый выход газоводяного теплообменника соединен с газовым входом второго теплового насоса, первый выход первого теплового насоса соединен с первым входом накопительного бака, первый выход накопительного бака соединен с первым входом первого теплового насоса, второй выход накопительного бака соединен с первым входом второго теплового насоса, первый выход второго теплового насоса соединен с вторым входом накопительного
бака, второй выход первого теплового насоса соединен с первым входом потребителя, первый выход потребителя соединен с вторым входом первого теплового насоса, выход газоводяного теплообменника соединен с вторым входом потребителя, второй выход потребителя соединен с входом газоводяного теплообменника, второй выход второго теплового насоса соединен с третьим входом потребителя, третий выход потребителя соединен с вторым входом второго теплового насоса.
Такое построение когенератора позволяет накапливать тепловую энергию в виде энергии сжатого газообразного теплоносителя в накопительном баке, а за счет использования двух тепловых насосов - обеспечивать требуемые температуру и давление. Это позволяет сгладить ступенчатость графика потребления тепловой энергии потребителем, то есть повысить его потребительские свойства за счет выдачи потребителю тепловой энергии необходимого количества, в соответствии с графиком потребления тепла, с необходимыми параметрами температуры и давления.
В частном случае (п.2 формулы полезной модели) первый тепловой насос содержит конденсатор, расширительный вентиль, компрессор, испаритель, первый перепускной вентиль, второй перепускной вентиль, третий перепускной вентиль, выход расширительного вентиля соединен с первым входом испарителя, первый выход испарителя соединен с входом компрессора, выход компрессора соединен с входом первого перепускного вентиля и входом второго перепускного вентиля, выход первого перепускного вентиля соединен с первым входом конденсатора, выход третьего перепускного вентиля соединен с первым входом конденсатора, первый выход конденсатора соединен с входом расширительного вентиля, выход второго перепускного вентиля выполняет роль первого выхода первого теплового насоса, вход третьего перепускного вентиля выполняет роль первого входа первого теплового насоса, второй вход конденсатора выполняет роль второго входа первого теплового насоса, второй выход конденсатора выполняет роль второго выхода первого теплового насоса, второй вход испарителя выполняет роль водяного входа первого теплового насоса, второй выход испарителя выполняет роль водяного выхода первого теплового насоса.
В частном случае (п.3 формулы полезной модели) второй тепловой насос содержит конденсатор, расширительный вентиль, компрессор, испаритель,
первый перепускной вентиль, второй перепускной вентиль, третий перепускной вентиль, выход расширительного вентиля соединен с первым входом испарителя, первый выход испарителя соединен с входом компрессора, выход компрессора соединен с входом первого перепускного вентиля и входом второго перепускного вентиля, выход первого перепускного вентиля соединен с первым входом конденсатора, выход третьего перепускного вентиля соединен с первым входом конденсатора, первый выход конденсатора соединен с входом расширительного вентиля, выход второго перепускного вентиля выполняет роль первого выхода второго теплового насоса, вход третьего перепускного вентиля выполняет роль первого входа второго теплового насоса, второй вход конденсатора выполняет роль второго входа второго теплового насоса, второй выход конденсатора выполняет роль второго выхода второго теплового насоса, второй вход испарителя выполняет роль газового входа второго теплового насоса.
Сущность полезной модели поясняется описанием варианта конструктивного выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:
- на фиг.1 приведена схема заявленного устройства,
- на фиг.2 схема первого теплового насоса.
Когенратор содержит (фиг.1) двигатель внутреннего сгорания 1, генератор электрической энергии 2, двигатель внутреннего сгорания содержит силовой блок, систему охлаждения, систему смазки, выхлопную систему, выход силового блока кинематически связан с входом генератора электрической энергии 2, выход генератора электрической энергии соединен с электрическим входом потребителя 3, система охлаждения содержит водоводяной теплообменник 4, система смазки содержит масловодяной теплообменник 5, выхлопная система содержит газоводяной теплообменник 6, водяной выход двигателя внутреннего сгорания 1 соединен с первым водяным входом водоводяного теплообменника 4, первый водяной выход водоводяного теплообменника 4 соединен с водяным входом двигателя внутреннего сгорания 1, масляный выход двигателя внутреннего сгорания соединен с масляным входом масловодяного теплообменника 5, масляный выход масловодяного теплообменника 5 соединен с масляным входом двигателя внутреннего сгорания 1, газовый выход двигателя внутреннего 1 сгорания соединен с газовым входом газоводяного теплообменника 6. Когенератор также содержит
первый тепловой насос 7, второй тепловой насос 8, накопительный бак 9, второй водяной выход водоводяного теплообменника 4 соединен с водяным входом первого теплового насоса 7, водяной выход первого теплового насоса 7 соединен с водяным входом масловодяного теплообменника 5, водяной выход масловодяного теплообменника 5 соединен с вторым водяным входом водоводяного теплообменника 4, газовый выход газоводяного теплообменника 6 соединен с газовым входом второго теплового насоса 8, первый выход первого теплового насоса 7 соединен с первым входом накопительного бака 9, первый выход накопительного бака 9 соединен с первым входом первого теплового насоса 7, второй выход накопительного бака 9 соединен с первым входом второго теплового насоса 8, первый выход второго теплового насоса 8 соединен с вторым входом накопительного бака 9, второй выход первого теплового насоса 7 соединен с первым входом потребителя 3, первый выход потребителя 3 соединен с вторым входом первого теплового насоса 7, выход газоводяного теплообменника 6 соединен с вторым входом потребителя 3, второй выход потребителя 3 соединен с входом газоводяного теплообменника 6, второй выход второго теплового насоса 8 соединен с третьим входом потребителя 3, третий выход потребителя 3 соединен с вторым входом второго теплового насоса 8.
В частном случае в соответствии с п.2 формулы полезной модели первый тепловой насос содержит (фиг.2) конденсатор 10, расширительный вентиль 11, компрессор 12, испаритель 13, первый перепускной вентиль 14, второй перепускной вентиль 15, третий перепускной вентиль 16, выход расширительного вентиля 11 соединен с первым входом испарителя 13, первый выход испарителя 13 соединен с входом компрессора 12, выход компрессора 12 соединен с входом первого перепускного вентиля 14 и входом второго перепускного вентиля 15, выход первого перепускного вентиля 14 соединен с первым входом конденсатора 10, выход третьего перепускного вентиля соединен с первым входом конденсатора 10, первый выход конденсатора 10 соединен с входом расширительного вентиля 11, выход второго перепускного вентиля 15 выполняет роль первого выхода первого теплового насоса 7, вход третьего перепускного вентиля 16 выполняет роль первого входа первого теплового насоса 7, второй вход конденсатора 10 выполняет роль второго входа первого теплового насоса 7, второй выход конденсатора 10 выполняет
роль второго выхода первого теплового насоса 7. второй вход испарителя 13 выполняет роль водяного входа первого теплового насоса 7, второй выход испарителя 13 выполняет роль водяного выхода первого теплового насоса.
Когенератор работает следующим образом. Двигатель внутреннего сгорания 1, использующий в качестве первичного теплоносителя природный газ имеет три контура охлаждения. Масляную систему охлаждения с масловодяным теплообменником 5, систему охлаждения блока цилиндров с водо-водяным теплообменником 4. Эти теплообменники соединены последовательно и выполняют функции охлаждения двигателя и отдачи этого тепла испарителю первого теплового насоса 7. Второй тепловой насос 8 выполняет функцию отбора остаточного тепла выхлопных газов после газоводяного теплообменника 6. В накопительном баке 9, накапливается энергия в виде сжатого хладагента. При увеличении потребности у потребителя тепловой энергии из накопительного бака 9 через третий перепускной вентиль 16 в конденсатор 10 подается дополнительное количество сжатого хладагента, который превращаясь в жидкость отдает дополнительное количество тепла потребителю 3. Второй тепловой насос 8 утилизирует дополнительное количество тепла, повышая КИТ на 4-6%, путем отбора остаточной тепловой энергии выхлопных газов. Тепловой насос 9 понижает температуру выхлопных газов идущих от третьего теплообменника 6 с 150°С до 40-30°С.
В состав полезной модели входят два тепловых насоса 7 и 8, отличающихся от известных тепловых насосов наличием накопительного бака хладагента и компрессорами рассчитанными на меньшее давление. Рабочий цикл модернизированного теплового насоса осуществляется в четыре этапа.
1. Путем регулировки давления расширительным вентилем 11 настраивается такой поток хладагента в испаритель 13, чтобы температура его кипения была ниже температуры рабочей жидкости в коллекторе. Вскипая (испаряясь), жидкий хладагент поглощает тепло из окружающей среды. Одновременно давление образующегося газа повышается за счет того, что газ занимает гораздо больший объем, чем жидкость, из которой он образовался.
2. Образовавшийся при испарении газ повышенного давления всасывается в компрессор 12, облегчая его работу и снижая энергозатраты, и там сжимается. При сжатии выделяется тепло в таком же количестве, в котором
оно было поглощено газом при испарении. Нагретый и сжатый газ поступает в конденсатор 10.
3. При конденсации газ превращается в жидкость, выделяя при этом тепло. Конденсатор 10 является теплоотдающим узлом теплового насоса. Здесь тепло через теплообменник передается воде, циркулирующей по отдельной системе отопительного контура.
4. Жидкий хладагент через расширительный вентиль возвращается в испаритель 12. Рабочий цикл замыкается.
При избытке тепловой энергии, последняя накапливается в накопительном баке 9 в виде сжатого хладагента. В этом случае часть сжатого хладагента из компрессора 12 поступает в второй перепускной вентиль 15, и через первый выход теплового насоса поступает в накопительный бак 9. В том случае, когда потребителю требуется меньшее количество тепловой энергии, часть сжатого газообразного хладагента через перепускной вентиль 15 поступает в накопительный бак 9. Там хладагент хранится под давлением и при температуре обеспечивающих сохранение газообразного состояния до возникновения дефицита тепловой энергии у потребителя горячей воды. При возникновении нехватки тепла сжатый хладагент поступает в конденсатор из накопительного бака хладагента через третий перепускной вентиль16 в конденсатор 10, где отдает тепловую энергию потребителю тепла 3.
Отличия в конструкции тепловых насосов 7 и 8 заключаются в следующем:
- элементы первого 7 и второго 8 тепловых насосов отличаются по конструктивным (габаритным) показателям в зависимости от производительности насосов,
- испаритель 13 первого теплового насоса 7 осуществляет отбор тепла у жидкой среды (воды), а испаритель второго теплового насоса 8-у газообразной среды (выхлопных газов).
При рассмотрении полезной модели необходимо принять во внимание следующее ограничение. Такая компоновка ДВС с тепловым насосом возможна только при условии выбора в качестве первичного теплоносителя для двигателя внутреннего сгорания природного газа или подобного газообразного топлива. При сжигании жидких топлив может образоваться конденсат в виде серной и азотной кислоты. Это произойдет при снижении температуры
выхлопа до температуры t≤70°С. В природном газе относительное количество серы и азота невелико. В процессе горения образуется химически неустойчивая угольная кислота. При увеличении КИТ на 4% срок окупаемости всей электростанции уменьшается на 3%.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Кривов В.Г. Конструкция, системы и эксплуатация дизелей объектов. СПб: Изд. Ленинградского Высшего военного инженерного строительного училища им. генерала армии А.Н.Комаровского. 1979 г. - 319 с.
2. Лаврик А.Н., Мицын Г.П. Силовая установка. Патент РФ на изобретение №2255238, приор. 2004.03.09, публ. 2005.06.27, МПК 7 F 02 G 5/02.
3. Когенератор. Рекламный проспект фирмы «SPARK Energy» (Италия), представитель в РФ - фирма «Катарсис». http:www.katarcis.ru. 2005.