КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА
COGENERATION PLANT WITH INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND STIRLING ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и предназначено для одновременного производства тепла, электроэнергии и утилизации промышленных отходов органического происхождения.
Известна теплоэнергетическая установка, 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 [патент РФ №2280777, F02G 5/04].
К недостаткам данной теплоэнергетической установки следует отнести то, что отработанные газы ДВС после теплообменника-утилизатора их теплоты имеют достаточно высокую энтальпию. Связано это с невозможностью глубокого охлаждения отработанных газов в теплообменнике-утилизаторе из-за их конденсации. По этой причине вышеуказанная теплоэнергетическая установка не до конца использует энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, что ведет к снижению ее общего КПД. Кроме этого, отработанные газы данной теплоэнергетической установки будут достаточно токсичны, что неблагоприятно скажется на ее экологических характеристиках.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу с ним, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов. Установка дополнительно снабжена газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, магистралью частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стерлинга [патент РФ №2300654 С1, МПК F02G 1/043, F02G 5/02].
Следует отметить, что данная когенерационная установка имеет незначительные мощности в одном агрегате и не приспособлена для работы в условиях переменных и пиковых нагрузок, а также обладает громоздкими размерами.
Задачей данного изобретения является создание когенерационной установки, обладающей высокой энергетической эффективностью и работающей в условиях быстроизменяющейся нагрузки, позволяющей производить экологически безопасную утилизацию различных промышленных отходов органического происхождения с использованием теплоты этого процесса для производства электроэнергии.
Когенерационная установка содержит двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, гидролинии, систему охлаждения двигателя Стирлинга с насосом, камеру сгорания двигателя Стирлинга, теплообменник для передачи тепловой энергии потребителям, теплообменники утилизации теплоты систем охлаждения двигателя Стирлинга, отработанных газов, газификатор, магистраль генераторного газа, магистраль отработанных газов, двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу с ним, систему его охлаждения с насосом, тепловой насос абсорбционного типа, насос системы утилизации теплоты, состоящей из теплообменников утилизации теплоты двигателя внутреннего сгорания и двигателя Стирлинга, отработанных газов, теплообменника для передачи теплоты потребителям, вентиль, при этом насос системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания соединен с теплообменником утилизации его теплоты, а насос системы утилизации теплоты последовательно соединен при помощи гидролиний с теплообменниками этой системы и нагревателем двигателя Стирлинга, при этом отработанные газы двигателя внутреннего сгорания по магистрали отработанных газов подводятся к теплообменнику утилизации их теплоты, после которого направляются в камеру сгорания двигателя Стирлинга, соединенную с его нагревателем, к которой, кроме этого, по магистрали генераторного газа подводится газ из газификатора, утилизирующего промышленные отходы органического происхождения, отработанные газы из камеры сгорания двигателя Стирлинга поступают к абсорбционному тепловому насосу, выполняющему роль кондиционера машинного зала, в котором установлена когенерационная установка, при этом тепловая энергия, вырабатываемая тепловым насосом, тоже подводится к нагревателю двигателя Стирлинга, а система охлаждения двигателя Стирлинга посредством гидролиний соединена с насосом этой системы и теплообменником утилизации теплоты двигателя внутреннего сгорания.
На чертеже изображена схема когенерационной установки.
Когенерационная установка содержит ДВС 1, соединенный с электрогенератором 2, насос 3 системы охлаждения ДВС, теплообменник 4 утилизации теплоты системы охлаждения ДВС, теплообменник 5 утилизации теплоты отработанных газов, теплообменник 6 для передачи теплоты потребителям, нагреватель 7 двигателя Стирлинга, двигатель Стирлинга 8, охладитель 9 двигателя Стирлинга, электрогенератор 10, установленный на одном валу с двигателем Стирлинга, насос 11 системы охлаждения двигателя Стирлинга, насос 12 системы утилизации теплоты, абсорбционный тепловой насос 13, вентиль 14, камеру сгорания 15 двигателя Стирлинга, газификатор 16, магистраль 17 отработанных газов, магистраль генераторного газа 18, гидролинию 19 системы утилизации теплоты, гидролинию 20 системы охлаждения двигателя Стирлинга, гидролинию 21 абсорбционного теплового насоса, гидролинию 22 системы охлаждения ДВС.
Когенерационная установка работает следующим образом.
При работе ДВС 1 (см. чертеж) электрогенератор 2 вырабатывает электроэнергию, которая предназначена для потребителей. Насос 3 системы охлаждения ДВС подает охлаждающую жидкость по гидролинии 22 через систему охлаждения ДВС к теплообменнику 4 утилизации его теплоты, а отработанные газы по магистрали 17 поступают к теплообменнику 5 утилизации их теплоты. В теплообменниках 4 и 5 утилизации происходит передача теплоты потоку жидкости, подаваемому к ним по гидролиниям 19 насосом 12 системы утилизации теплоты. Затем поток жидкости направляется к теплообменнику для передачи теплоты потребителям 6, а после него по гидролинии 19 к нагревателю 7 двигателя Стирлинга (где участвует в нагреве его рабочего тела), после которого она вновь поступает на вход насоса 12 системы утилизации теплоты. В теплообменнике 6 для передачи теплоты потребителю происходит нагрев жидкости, поступающей от потребителя тепловой энергии, расход которой регулируется вентилем 14. В случае отсутствия необходимости в снабжении тепловой энергией вентиль 14 полностью перекрывает поток жидкости от потребителя тепловой энергии. Отработанные газы по их магистрали 17 после теплообменника утилизации их теплоты направляются в камеру сгорания 15 двигателя Стирлинга 8, к которой, кроме этого, по магистрали генераторного газа 18 поступает поток этого газа из газификатора 16, утилизирующего промышленные отходы органического происхождения. В камере сгорания происходит сжигание генераторного газа и отработанных газов. Причем конструкция камеры сгорания обеспечивает сжигание генераторного и отработанных газов с низким содержанием в них оксидов азота, обеспечивая тем самым высокие экологические характеристики когенерационной установки. Теплота, выделяющаяся в камере сгорания 15, поступает к нагревателю двигателя Стирлинга 7. Используя теплоту камеры сгорания 15 и теплоту жидкости, поступающей от теплообменника 6, двигатель Стирлинга вырабатывает дополнительную электроэнергию посредством электрогенератора 10. После камеры сгорания 15 двигателя Стирлинга 8 отработанные газы по их магистрали 17 поступают к абсорбционному тепловому насосу 13, выполняющему в данном случае роль кондиционера машинного зала, в котором установлена когенерационная установка. Кондиционирование машинного зала, в данном случае, необходимо для обеспечения температуры окружающего воздуха в нем на уровне 20…25°С. Связано это с тем, что при температурах окружающего воздуха выше 25°С происходит интенсивный нагрев воздуха во впускной системе ДВС на 30…50°С, что ведет к ухудшению условий наполнения цилиндров последнего и, как следствие, к снижению его эффективных показателей. Тепловая энергия, вырабатываемая тепловым насосом 13, передается посредством гидролинии 21 нагревателю двигателя Стирлинга для ее преобразования в механическую работу. Для охлаждения двигателя Стирлинга предусмотрена система охлаждения. Данная система включает в себя гидролинии 20, насос 11 системы охлаждения двигателя Стирлинга и его охладитель 9. При работе насоса 11 системы охлаждения двигателя Стирлинга охлаждающая жидкость поступает по гидролиниям 20 к теплообменнику 4 для утилизации теплоты ДВС, где происходит ее охлаждение потоком жидкости, подаваемым насосом 12 системы утилизации теплоты.
Заявленная когенерационная установка может быть использована в качестве мини ТЭЦ, производящей тепловую и электрическую энергию для нужд промышленных предприятий или отдельных жилых районов. Применение ее позволит максимально повысить эффективность использования теплоты сгорания топлива, а также утилизировать промышленные отходы органического происхождения с выработкой теплоты от этого процесса для производства дополнительной тепловой и электрической энергии.