СИСТЕМА ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
SYSTEM OF HEAT RECOVERY OF ICE INCORPORATED WITH SELF-CONTAINED POWER SOURCE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к автономным устройствам для получения тепловой и электрической энергии, и может быть использовано для повышения степени использования энергетических возможностей двигателей внутреннего сгорания данных устройств.
Известна мобильная тепловая станция (см. патент RU 2333435, опубл. 10.09.08 г., Бюл. №25), принятый за прототип. Мобильная тепловая станция содержит привод в виде электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, теплогенератор, состоящий из статора, имеющего цилиндрическую полость, в которой установлен ротор входного и выходного канала для подвода/отвода жидкости. Жидкостная система охлаждения (при наличии) электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания связана с теплообменником, размещенным в резервуаре, вход которого соединен с обратным трубопроводом системы теплопотребления, а выход через нагнетательный насос связан с входным каналом для подвода жидкости теплогенератора, система отвода выхлопных газов соединена через теплообменник, размещенный в этом же резервуаре, через нейтрализатор с атмосферой. Мобильная тепловая станция может быть установлена в контейнере или на платформе транспортировки. Количество выработанной тепловой энергии регулируется изменением числа оборотов привода.
Недостатком прототипа является недостаточная степень теплоутилизации безвозвратно теряемой тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, рассеиваемой в системе охлаждения.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении теплопроизводительности, удешевлении затрат на топливо.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности автономного источника тепловой энергии за счет теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя и сохранения работоспособности при любых эксплуатационных режимах.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения, состоящей из привода в виде двигателя внутреннего сгорания, теплогенератора роторного типа с входным и выходным каналами для подвода/отвода жидкости, теплообменника-теплоутилизатора выхлопных газов, новым является то, что перед входным каналом для подвода жидкости в теплогенератор дополнительно установлен теплообменник-теплоутилизатор тепловой энергии вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, линии подачи и возврата перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором соединены перепускным каналом, оснащенным вентилем, линия подачи после перепускного канала оснащена вентилем, теплообменник-теплоутилизатор системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин, жестко закрепленных на трубопроводе, связанном с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза отверстия треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара, герметично охватывающего этот участок трубопровода, отверстия треугольного сечения в пластинах расположены в одной плоскости, входной патрубок сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар выполнен в виде сопла и расположен в его верхней части, а выходной - в нижней части и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему.
Установка перед входным каналом для подвода жидкости в теплогенератор дополнительного теплообменника-теплоутилизатора тепловой энергии, связанного с системой охлаждения двигателя линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, позволяет:
- во-первых, при КПД двигателей внутреннего сгорания 30-40% утилизировать в полезную тепловую энергию значительную часть тепловой энергии безвозвратно теряемой при охлаждении двигателя, которая составляет 35-40% от общей энергии двигателя;
- во-вторых, передавать тепловую энергию охлаждающей жидкости теплоносителю отопительного контура после ее прохождения по системе теплоотбора и понижении ее температуры;
- в-третьих, максимально исключив безвозвратные тепловые потери, рассеиваемые в системе отвода выхлопных газов и системе охлаждения, в целом повысить тепловую эффективность автономного источника тепловой энергии.
Соединение линии подачи и возврата перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором перепускным каналом, оснащенным вентилем, и оснащение линии подачи после перепускного канала вентилем позволяет:
- во-первых, при невозможности достижения теплового баланса для ДВС при теплоотдаче тепловой энергии охлаждающей жидкости в теплообменник перераспределить ее поток и обеспечить режим соответствующего теплового баланса работающего двигателя;
- во-вторых, за счет перераспределения потока циркулирующей охлаждающей жидкости обеспечить работу автономного источника энергообеспечения при различных эксплуатационных режимах.
Выполнение теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения в виде теплообменника вихревого типа позволяет:
- во-первых, обеспечить значительную площадь непосредственного контакта сетевого теплоносителя с высокотемпературными поверхностями, нагретыми жидкостью системы охлаждения, за счет вращательного движения сетевого теплоносителя;
- во-вторых, получить более высокий кпд по перераспределению утилизируемой тепловой энергии;
- в-третьих, снизить весовые и габаритные показатели теплообменника, что приводит к снижению капитальных затрат;
- в-четвертых, снизить за счет высокой степени турбулентности образование накипи и загрязнений;
- в-пятых, за счет низкого уровня накипи и загрязнений снизить значение термического сопротивления теплообменных поверхностей, гидравлическое сопротивление при прохождении сетевого теплоносителя в теплообменнике, перепад давления на входе/выходе;
- в-шестых, снизить затраты на профилактические мероприятия или замену теплообменного оборудования.
Выполнение теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения вихревого типа в виде выгнутых параллельных разрезных пластин, жестко закрепленных на трубопроводе, связанном с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза отверстия треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара, герметично охватывающего этот участок трубопровода, позволяет:
- во-первых, сформировать каналы для вращательно-поступательного перемещения сетевого теплоносителя внутри вертикального резервуара;
- во-вторых, в полной мере использовать действие центробежной силы на вращающийся теплоноситель;
- в-третьих, обеспечить эффективное смешение и теплообмен высокотемпературной составляющей потока, образующейся на поверхности трубопровода, связанного с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, и прилегающих областей пластин и межпластинного пространства с менее нагретыми периферийными слоями жидкости;
- в-четвертых, обеспечить дополнительный нагрев жидкости за счет разницы давлений в приосевой и периферийных зонах.
Расположение отверстий треугольного сечения в пластинах в одной плоскости позволяет:
- во-первых, обеспечить вращение потока в межпластинном пространстве на полный оборот (360°) и максимально использовать имеющиеся теплообменные поверхности;
- во-вторых, организовать межслойное тепловое взаимодействие поступающей и уходящей жидкости.
Расположение входного патрубка сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар в его верхней части и выполнение его в виде сопла, а выходного - в нижней части, и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему, позволяет:
- во-первых, придать первоначальное ускорение поступающему потоку;
- во-вторых, обеспечить за счет этого запас кинетической энергии, необходимый для вращательного перемещения жидкости по всей длине резервуара;
- в-третьих, на первоначальном этапе эффективно закрутить жидкость в цилиндрическом резервуаре;
- в-четвертых, за счет вертикального расположения резервуара использовать наряду с радиально направленной центробежной силой силу тяжести, направленную вертикально вниз;
- в-пятых, получить вращательно-поступательный поток жидкости, подверженный концентрически расходящемуся тепловому воздействию,
- в-шестых, отводить нагретый поток сетевого теплоносителя с наименьшими гидравлическими потерями.
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 системы теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения; на фиг.2 - схема теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения; на фиг.3 - развертка выгнутой пластины.
Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения состоит из подвижной платформы 1 (показана условно), на которой установлен двигатель внутреннего сгорания 2 и вихревой теплогенератор 3 роторного типа, валы которых связаны посредством муфты 4. Выходной канал 5 для отвода жидкости теплогенератора 3 через теплообменник-теплоутилизатор 6, расширительный резервуар 7 соединен с выходным вентилем 8. Теплообменник-теплоутилизатор 6 связан также с системой 9 отвода выхлопных газов двигателя 2. Между входным каналом 10 для подвода жидкости в теплогенератор 3 и входным вентилем 11 дополнительно установлен теплообменник-теплоутилизатор 12 тепловой энергии вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя 2 линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости. Линии подачи 13 и возврата 14 перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором 12 соединены перепускным каналом 15, оснащенным вентилем 16. Линия подачи 13 после перепускного канала 15 оснащена вентилем 17.
Теплообменник-теплоутилизатор 12 системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин 18, жестко закрепленных на трубопроводе 19, связанном с линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза 20 отверстия 21 треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара 22, герметично охватывающего этот участок трубопровода 19. Отверстия треугольного сечения 21 в пластинах 18 расположены в одной плоскости. Входной патрубок 23 сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар 22 расположен в его верхней части, а выходной патрубок 24 - в нижней части и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему. Входной патрубок 23 сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар 22 выполнен в виде сопла.
Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения функционирует следующим образом. После доставки автономного источника энергообеспечения и установки его на месте эксплуатации прямой и обратный трубопроводы системы теплопотребления или горячего водоснабжения (на чертежах не показаны) необходимо подключить соответственно к выходному вентилю 8 и входному вентилю 11. После заполнения системы теплопотребления, теплогенератора 3 жидкостью, необходимо запустить двигатель 2. Вращение с вала двигателя 2 передается через муфту 4 на вал теплогенератора 3. После запуска начинается процесс прокачивания теплоносителя через теплогенератор 3 и систему теплопотребления и выработка тепловой энергии. Через выходной канал 5 теплогенератора 3 нагретый теплоноситель попадает в теплообменник-теплоутилизатор 5, где происходит его нагрев высокотемпературными выхлопными газами системы 9 их отвода. Далее нагретый теплоноситель через выходной вентиль 8 попадает в систему теплопотребления. Температура его снижается. Через входной вентиль 11 остывший теплоноситель перемещается к дополнительному теплообменнику-теплоутилизатору 12 вихревого типа системы охлаждения двигателя 2. Циркуляция охлаждающей жидкости в теплообменнике-теплоутилизаторе 12 происходит по линиям подачи 13 и возврата 14. Для обеспечения перераспределения потока охлаждающей жидкости, протекающей через теплообменник 12, и достижения необходимого теплового баланса двигателя 2 служат вентили 16 и 17, что позволяет теплоутилизировать тепловую энергию охлаждающей жидкости при различных режимах теплоотдачи в системе теплопотребления. В теплообменнике-теплоутилизаторе 12 системы охлаждения вихревого типа теплоноситель в начале поступает во входной патрубок 23, выполненный в виде сопла и расположенный относительно цилиндрической поверхности резервуара 22 тангенциально или близко к нему. Здесь поток приобретает первоначальное ускорение и закручивается, через отверстия 21 треугольного сечения последовательно преодолевая расстояние до выходного отверстия 24. Вращающийся поток, подверженный действию центробежной силы и силы тяжести, вступает в активное тепловое взаимодействие с трубопроводом 19, разрезными пластинами 18. Причем происходит активный процесс как поверхностного теплообмена с вышеуказанных поверхностей, так и межслойное взаимодействие разнотемпературных потоков, подверженных к тому же концентрически расходящемуся тепловому воздействию от трубопровода 19, имеющего наибольшую температуру. Данное воздействие обусловлено наличием вращающихся областей жидкости с различным уровнем давления, что позволяет поддерживать теплообмен на высоком уровне. В результате теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения поток сетевого теплоносителя поступает во входной канал 10 теплогенератора 3 с повышенной температурой.
Таким образом, в предлагаемой системе теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения решена задача по достижению технического результата, заключающегося в повышении эффективности автономного источника тепловой энергии за счет теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя и сохранения работоспособности при любых эксплуатационных режимах.