КОГЕНЕРАЦИОННАЯ МАШИНА

Когенерационная машина относится к области теплоэнергетики и может быть использована в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов для одновременного производства электроэнергии и тепла на отдаленных объектах, например, на газораспределительных станциях.
В настоящее время известна автономная кооперационная энергоустановка [патент РФ №2280777, F02G 5/04, опубл. 27.07.2006]. Энергоустановка включает электрический генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания, имеющего системы охлаждения масла, блока цилиндров, наддувочного воздуха (наддува) и выхлопных газов (газовыхлопа), каждая система имеет теплообменник-утилизатор теплоты, теплообменники-утилизаторы систем наддувочного воздуха и масла последовательно включены в систему охлаждения блока цилиндров двигателя, установка снабжена дополнительным теплообменником, включенным между теплообменниками-утилизаторами теплоты системы наддувочного воздуха и системы охлаждения блока цилиндров и имеющим принудительное воздушное охлаждение, и циркуляционным насосом, установленным между дополнительным теплообменником-утилизатором с принудительным воздушным охлаждением и теплообменником-утилизатором теплоты наддувочного воздуха. При этом обратная охлажденная вода от потребителей последовательно проходит через теплообменники систем охлаждения блока цилиндров двигателя и выхлопных газов.
Недостатками данной энергоустановки является, во-первых то, что вода от потребителей проходит напрямую через теплообменники блока цилиндров и наддувочного воздуха, загрязняя их, что приводит к снижению ресурса и надежности системы. Во-вторых, вода блока цилиндров напрямую проходит через теплообменник масла, что в случае негерметичности последнего может привести к попаданию масла в полость охлаждения двигателя и аварии вследствие локального перегрева. В-третьих, вода на входе в теплообменник наддувочного воздуха должна иметь низкую температуру, что влечет постоянное принудительное воздушное охлаждение, что приведет к понижению КПД и надежности работы установки.
Известна когенерационная энергоустановка, которая была выбрана в качестве прототипа [патент РФ №75224, F02G 5/04, опубл. 27.07.2008]. Данная когенерационная энергоустановка состоит из двигателя с электрогенератором, контура утилизации тепла, теплообменников - утилизаторов теплоты: масла, воды блока цилиндров двигателя, наддувочного воздуха, выхлопных газов, дополнительного воздушного охлаждения и циркуляционного насоса.
Недостатками данной энергоустановки являются необходимость применения отдельного теплового насоса с приводом от газопоршневого двигателя или с электроприводом, и невозможность использования установки для работы на газе метане.
Поставленная задача - создание когенерационной машины на основе использования двух цилиндров двигателя внутреннего сгорания в качестве теплового насоса и изменения конструкции выпускной системы.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия работы когенерационной машины.
Технический результат достигается тем, в когенерационной машине, включающей двигатель с электрогенератором и теплоутилизатором, контур системы охлаждения двигателя с циркуляционным насосом и контур охлаждения воды сети теплоснабжения с циркуляционным насосом, теплообменник-утилизатор, систему трубопроводов и газоходов, новым является то, что снабжена устройством подготовки топливной смеси и трехходовым клапаном-термостатом, а в качестве двигателя выбран четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, два цилиндра которого работают как компрессоры теплового насоса, в котором рабочим телом служат горячие отработанные газы двигателя, а два других - как цилиндры двигателя внутреннего сгорания.
В данной когенерационной машине отработанные газы являются рабочим телом компрессора теплового насоса, в котором есть два цилиндра двигателя внутреннего сгорания А и Г, являющимися теплоприемниками. В процессе выпуска горячие отработанные газы оказываются в промежуточном теплообменнике, где отдают энергию охладительной жидкости, после чего, охлажденные до определенной температуры, газы засасываются компрессором. В цилиндрах компрессора А и Г во время сжатия газы разогреваются до высокой температуры, где одновременно передают тепловую энергию рубашке охлаждения двигателя. После выхода газов из компрессора, в фазе расширения, температура газов резко снижается вследствие адиабатического процесса, что повышает коэффициент полезного действия машины по теплу при выбросе отработанных газов в атмосферу.
Излишек мощности механической энергии двигателя внутреннего сгорания с помощью электрогенератора используется для производства электроэнергии.
Благодаря простоте и универсальности конструкции машина может работать на газе метане.
На чертеже приведена схема когенерационной машины.
Когенерационная машина состоит из двигателя внутреннего сгорания 1 (цилиндры А, Б, В и Г), электрогенератора 2, теплоутилизатора 3, теплообменника-утилизатора 4, устройства подготовки топливной смеси 5, трехходового клапана-термостата 6, циркуляционных насосов 7 и 8, патрубков 9 и 10, патрубка выхлопных газов 11.
Процесс подготовки топливной смеси, а именно природного газа метана заключается в его осушивании и пропорциональной подаче. Устройство подготовки топливной смеси 5 состоит из баллона с природным газом, редукционного клапана, отвечающего за регулировку подачи и давление, и сифона, предназначенного для осушки газа от влаги. Именно процесс осушки газа, путем избавления от примесей (влаги), и равномерной подачи через редукционный клапан дает возможность повысить теплотворную способность топлива и увеличить коэффициент полезного действия. Таким образом, благодаря устройству подготовки топливной смеси имеется возможность более рационально использовать природный газ.
Использование трехходового клапана-термостата позволяет с двух источников образования тепла сформировать единый тепловой поток и направить его непосредственно к теплообменнику. Таким образом, трехходовый клапан-термостат позволяет не допустить возвращение тепла обратно к первоисточнику образования (не допускает перегрева основных узлов) и тем самым повысить функциональную надежность работы основы когенерационной машины - двигателя внутреннего сгорания.
Когенерационная машина работает следующим образом.
В четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания 1 по трубопроводу устройства подготовки топливной смеси 5 топливо поступает в два цилиндра, которые, превращая тепловую энергию топлива, вырабатывают механическую энергию, передающуюся по валу к электрогенератору 2 для производства электроэнергии.
В процессе работы двух цилиндров двигателя образовывается тепловая энергия, которая отводится охладительной жидкостью системы охлаждения циркуляционным насосом 7. Через трехходовой клапан-термостат 6, нагретая до 85°С, охлаждающая жидкость поступает в теплообменник-утилизатор 4, где передает тепловую энергию жидкости контура системы теплосети патрубками 9 и 10. Циркуляцию жидкости обеспечивает циркуляционный насос 8 с электроприводом.
Горячие отработанные газы (≈700°С) после высвобождения из цилиндров Б и В по трубопроводу поступают в теплоутилизатор 3 (теплоотдачик), откуда, после охлаждения до 100°С, засасываются по трубопроводам цилиндрами А и Г, являющимися теплоприемниками (≈300°С) и работающими в компрессорном режиме. Отработанные газы (≈15°C) через патрубок 11 выходят наружу.
Контур охлаждения воды системы теплоснабжения представляет собой систему элементов потребитель тепловой энергии, который отбирает тепловую энергию с патрубка 9, а также патрубок 10 и циркуляционный насос 8.
В результате понижения внутренней энергии газовой среды с повышенным давлением, при выходе в окружающую среду газы охлаждаются до уровня температуры, ниже температуры окружающей среды, что указывает на высокий коэффициент преобразования энергии в данной когенерационной машине.
Избыточная механическая энергия, производимая в процессе работы двигателя 1, передается электрогенератору 2, который обеспечивает работу систем жизнеобеспечения когенерационной машины и использование электроэнергии внешними потребителями.
Преимущество заявляемого технического решения заключается в повышении коэффициента полезного действия работы, упрощении конструкции и снижении себестоимости когенерационной машины, а также в повышении ее надежности. Благодаря простоте и универсальности конструкции машина может работать на газе метане.