АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
INDEPENDENT HEAT POWER SOURCE

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к автономным устройствам для нагрева жидкости, и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения различных стационарных и временно развернутых помещений любого назначения, не имеющих централизованных источников энергии, в т.ч. в походных или аварийных условиях.
Известно устройство для нагрева жидкости (см. патент RU N 2290573 C1, F24J 3/00, опубл. 27.12.2006 г.), принятое за прототип. Устройство для нагрева жидкости содержит привод в виде электродвигателя, теплогенератор, состоящий из статора в виде корпуса с крышкой, имеющего цилиндрическую полость, в которой с зазором установлен ротор в виде диска с глухими отверстиями, отверстиями входного и выходного каналов для подвода и отвода жидкости. Жидкость в отверстие входного канала подается под давлением от источника давления (нагнетательного насоса).
Недостатками прототипа являются: необходимость стационарного монтажа устройства, недостаточные возможности автономного использования, значительные тепловые потери при работе привода, необходимость использования нагнетательного насоса на входе для поддержания приемлемого уровня теплопроизводительности, наличие высоких нагрузок на привод при запуске, невозможность использования устройства для непосредственного рассеивания выработанной тепловой энергии.
Предлагаемым изобретением решается задача: обеспечение мобильности и автономности.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в сокращении энергозатрат при высоком уровне удобства обслуживания и экологической безопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в автономном источнике тепловой энергии, состоящем из привода, теплогенератора, содержащего статор с цилиндрической полостью, в которой с зазором установлен ротор, входного и выходного каналов для подвода/отвода жидкости, нагнетательного насоса, новым является то, что автономный источник установлен на подвижной платформе, в качестве привода используется бензиновый или дизельный двигатель, а в качестве альтернативного привода может быть использован газопоршневой двигатель, работающий на газообразном топливе (природный газ, биогаз, коксовый газ, шахтный газ), автономный источник оснащен теплообменником, выполненным в виде параллельных плоских пластин с отверстиями на периферии, жестко закрепленных на участке выхлопной трубы двигателя и помещенных внутри резервуара, герметично охватывающего этот участок, отверстия в пластинах расположены зеркально относительно оси выхлопной трубы.
Функцию нагнетательного насоса выполняют радиальные ребра на торцевых поверхностях ротора, расположенные ближе к его оси. Вал двигателя и теплогенератора соединен при помощи центробежной муфты. Автономный источник теплововой энергии оснащен калорифером с вентилятором.
Установка автономного источника тепловой энергии на подвижной платформе позволяет обеспечить его мобильную доставку как к обслуживаемому объекту, так и к отдельным элементам внутри его.
Использование в качестве привода бензинового или дизельного двигателя, а в качестве альтернативного привода - газопоршневого двигателя, работающего на газообразном топливе (природный газ, биогаз, коксовый газ, шахтный газ), позволяет:
- во-первых, использовать в качестве энергоносителя различные виды топлива и, в частности, наиболее дешевое и распространенное, как природный газ;
- во-вторых, обеспечить автономную работу источника тепловой энергии при отсутствии централизованного тепло- и электроснабжения практически во всех географических поясах с различными климатическими условиями;
- в-третьих, при использовании газообразного топлива улучшаются экологические параметры окружающей среды за счет меньшего содержания вредных веществ в выхлопных газах;
- в-четвертых, осуществлять регулирование теплопроизводительности за счет изменения числа оборотов двигателя;
- в-пятых, утилизировать безвозвратно теряемую тепловую энергию двигателя в полезную работу по нагреву теплоносителя;
- в-шестых, при применении газопоршневого двигателя не создавать высокого давления газа (до 2,5 МПа) за счет установки газокомпрессорной станции, необходимого при работе газотурбинных установок;
- в-седьмых, осуществить прямое преобразование механической энергии двигателя в тепловую.
Выполнение теплообменника для утилизации тепловой энергии выхлопных газов в виде параллельных плоских пластин с отверстиями на периферии, жестко закрепленных на участке выхлопной трубы двигателя и помещенных внутри резервуара, герметично охватывающего этот участок, позволяет:
- во-первых, увеличить площадь теплоотдачи от нагретой выхлопной трубы и эффективно передать тепло протекающему в резервуаре теплоносителю;
- во-вторых, получить лабиринтную схему движения теплоносителя внутри резервуара;
- в третьих, получить компактную и легковстраиваемую в общую схему автономного источника тепловой энергии конструкцию утилизатора тепловой энергии выхлопных газов;
- в четвертых, при установке в линию выхлопа теплообменника и резервуара (теплоутилизатора) снижаются шумовые параметры двигателя.
Расположение отверстий в пластинах зеркально относительно оси выхлопной трубы позволяет увеличить путь прохождения теплоносителя между пластинами внутри резервуара и обеспечить эффективное перераспределение тепловой энергии выхлопной трубы в тепловую энергию теплоносителя.
Выполнение радиальных ребер на торцевых поверхностях ротора, расположенных ближе к его оси, позволяет:
- во-первых, исключить из схемы автономного источника тепловой энергии нагнетательный насос, при установке которого необходимо дополнительно обеспечить вращение его рабочего органа;
- во-вторых, снизить энергозатраты и интенсифицировать процесс эффективного теплообразования в теплогенераторе;
- в-третьих, при упрощении общей схемы придать автономному источнику тепловой энергии большую компактность.
Соединение вала двигателя и теплогенератора при помощи центробежной муфты позволяет:
- во-первых, обеспечить автоматическое соединение валов двигателя и теплогенератора при достижении ведущим валом заданной угловой скорости (сцепление валов начинается при ≈75% полной скорости двигателя);
- во-вторых, облегчить разгон двигателя внутреннего сгорания и получить плавную характеристику пускового режима;
- в-третьих, придать соединительной муфте предохранительные свойства;
- в-четвертых, обеспечить малые габаритные размеры муфты при возможности передачи значительных крутящих моментов.
Оснащение автономного источника тепловой энергии калорифером с вентилятором позволяет:
- во-первых, расширить функциональные возможности автономного источника тепловой энергии и применять его в качестве тепловой пушки или завесы;
- во-вторых, повысить мобильность автономного источника тепловой энергии за счет оперативной установки в месте использования и прямого нагрева окружающего воздуха.
Причем приведение во вращение вентилятора возможно за счет электродвигателя, питающегося от генератора двигателя, или за счет отбора небольшой части мощности от приводного вала двигателя.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана общая схема автономного источника тепловой энергии; на фиг.2 - схема теплоутилизатора выхлопных газов; на фиг.3 - схема размещения радиальных ребер на торцевой поверхности диска.
Автономный источник тепловой энергии состоит из подвижной платформы 1, на которой установлен двигатель внутреннего сгорания 2 и теплогенератор 3, валы которых связаны посредством муфты 4. Основой автономного источника тепловой энергии является теплогенератор 3, в котором за счет сложных физических процессов происходит преобразование кинетической энергии движущегося теплоносителя в тепловую энергию. Теплогенератор 3 состоит из герметично изготовленного корпуса с крышкой 5, в котором с возможностью вращения установлен ротор 6 дискового типа, на торцевых поверхностях которого выполнены радиальные ряды несквозных отверстий 7. Входное отверстие 8 теплогенератора 3 соединено с входным шаровым клапаном 9, а выходное отверстие 10 через расширительный резервуар 11 соединено с выходным шаровым клапаном 12. Питание двигателя 2 осуществляется от топливного бака 13. Для гашения вибрационных колебаний работающего двигателя 2 и теплогенератора 3 платформа оснащена виброопорами 14 и установлена на ролики 15. Все соединения внутри автономного источника тепловой энергии выполнены гибкими рукавами 16. Коллектор двигателя 2 через теплоутилизатор энергии выхлопных газов 17 соединен выхлопной трубой 18 с глушителем 19. Запуск двигателя 2 осуществляется от аккумуляторной батареи 20.
Теплоутилизатор энергии выхлопных газов 17 состоит из теплообменника, выполненного в виде параллельных плоских пластин 21 с отверстиями 22 на его периферии, жестко закрепленных на участке выхлопной трубы 18 двигателя 2 и помещенных внутри резервуара 23, герметично охватывающего этот участок. Отверстия 22 в пластинах 21 расположены зеркально относительно оси выхлопной трубы 18.
На торцевых поверхностях ротора 6 выполнены радиальные ребра 24, расположенные ближе к его оси.
В варианте исполнения автономного источника тепловой энергии муфта 4, соединяющая валы двигателя 2 и теплогенератора 3, является центробежной.
Автономный источник тепловой энергии может быть оснащен калорифером с вентилятором (на чертежах не показаны).
Автономный источник тепловой энергии работает следующим образом. После его доставки и установки на месте эксплуатации прямой и обратный трубопроводы системы теплопотребления и горячего водоснабжения необходимо подключить соответственно к выходному шаровому клапану 12 и входному шаровому клапану 9. После заполнения системы теплопотребления - теплогенератора 3 жидкостью необходимо запустить двигатель 2. Вращение с вала двигателя 2 передается через муфту 4 на вал теплогенератора 3. Загрузка теплогенератора происходит постепенно, по мере увеличения числа оборотов вала двигателя 2. Если используется центробежная муфта, то при запуске двигателя происходит ее автоматическое включение при 75% номинальной скорости. После запуска начинается процесс прокачивания теплоносителя через теплогенератор 3 и систему теплопотребления и выработка тепловой энергии.
Работа теплогенератора 3 происходит следующим образом. Жидкость из обратного трубопровода системы теплопотребления поступает к входному отверстию 8. Радиальные ребра 24 способствуют поддержанию стабильного расхода жидкости. За счет сил трения в жидкости между внутренними поверхностями корпуса с крышкой 5 и торцевыми и цилиндрическими поверхностями диска 6 за счет разрыва сплошного потока жидкости в зонах вихревых образований в областях несквозных отверстий 7 происходят активные процессы тепловыделения. Через выходное отверстие 10 нагретый теплоноситель попадает в прямой трубопровод системы теплопотребления через теплоутилизатор 17. В теплоутилизаторе 17 теплоноситель движется по лабиринтной траектории между плоских пластин 21, переходя с одного уровня на другой через отверстия 22, что способствует максимальной передаче тепловой энергии в резервуаре 23 от нагретой выхлопной трубы.
Для увеличения теплопроизводительности необходимо увеличить число оборотов двигателя. Работа автономного источника тепловой энергии продолжается по мере необходимости в получении тепловой энергии.
Таким образом, в предлагаемом автономном источнике тепловой энергии решена задача по достижению технического результата, заключающегося в повышении теплопроизводительности и удобства обслуживания, удешевлении затрат на топливо, улучшении экологической безопасности за счет применения альтернативных видов топлива, снижении безвозвратных тепловых потерь и оптимизации динамических характеристик нагреваемого теплоносителя.