УСТАНОВКА КОГЕНЕРАЦИОННАЯ НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к когерационным установкам с двигателями внешнего сгорания, предназначенным для энергообеспечения потребителя тепловой и электрической энергиями [F02G 1/043, F02G 1/045, F24D 10/00].
Из уровня техники известна ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С РАКЕТНО-ПЕЧНОЙ ГОРЕЛКОЙ И ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА [RO 131744 А2, опубл. 30.03.2017 г.], содержащая корпус станции, который представляет собой сварную металлическую конструкцию с наклонным загрузочным отверстием, при этом сгорание происходит в нижней части туннеля сгорания с естественной тягой, главным дымоходом и вторичным дымоходом, при этом туннель снабжен в нижней части решеткой для золы и вертикальной решеткой для дополнительного воздуха, где из-за вертикальной разницы положения между загрузочным отверстием и главным дымоходом, пламя достигает максимальной вертикальной точки, при этом также подается свежий воздух из вторичного туннеля и из туннеля золоуловителя, достижение мощного впуска в загрузочном отверстии, которое предотвращает сгорание биомассы в верхней части, пламя поднимается вверх по восходящей трубе, основной дымоход нагревает медную катушку с теплоносителем из возвратной трубы системы отопления, которая предварительно проходит через охладитель двигателя Стирлинга, который установлен с горячей частью в туннеле сгорания и достигает медной катушки в уже нагретом состоянии, тогда как генератор электрического тока, который получает механическую работу от двигателя Стирлинга, заряжает электрический батарея 12 В / 55…100 Ач, что позволяет тепловой электростанции автономно работать в жилых или дачных домах, где нет электросети. Недостатком аналога является низкий КПД, обусловленный многократным преобразованием тепловой и механической энергии для преобразования ее в электрическую энергию.
Также из уровня техники известна БЫТОВАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕПЛОВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА [RU 2294045 С2, опубл. 20.02.2007 г.], содержащая соединение с электропитанием от сети, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в электроэнергии во время нормальных рабочих условий, бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат с источником питания топливом, который вырабатывает отдаваемую электроэнергию и отдаваемое тепло, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в тепле, при этом система способна работать при отсутствии электропитания от сети, средство для обнаружения нарушения электропитания от сети и средство для автоматического подключения отдаваемой электроэнергии от бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата при отсутствии электропитания от сети для обеспечения резервной электроэнергией выбранных, потребляющих электричество устройств с меньшим потреблением электроэнергии, чем общая бытовая потребность в электроэнергии, при отсутствии электропитания от сети. При этом бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат содержит двигатель «Стирлинг», содержащий горелку для подвода тепловой энергии к головке двигателя для приведения в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока, и систему пуска, включающую средство контроля для управления пуском агрегата, воспламенитель для зажигания горелки, импульсный генератор для подачи электрического импульса к генератору для пуска элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, когда средство контроля определяет, что головка двигателя достигает пороговой температуры, и местный ограниченный источник электропитания для снабжения электроэнергией средства контроля, воспламенителя и импульсного генератора во время операции пуска.
Недостатком данного аналога является невысокий КПД использования теплового потенциала сжигаемого топлива и недостаточная гибкость системы при перераспределении тепловой и электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности является АВТОНОМНАЯ МИКРО-ТЭЦ НА ГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА [RU 2645107 С1, 15.02.2018 г.], включающая модуль электрогенерирующего устройства, в состав которого входит двигатель Стирлинга, основная газовая горелка для подвода тепловой энергии к головке двигателя, синхронный линейный генератор с постоянными магнитами, интегрированный в корпус двигателя, настроечная резонансная емкость на выходе линейного генератора и система охлаждения двигателя; модуль теплогенерирующего устройства, в состав которого входит теплогенератор, дополнительная газовая горелка и аварийный охладитель; систему автоматического управления, сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями, выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора, температуры тепловой головки двигателя Стирлинга и управления включением линейного генератора в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга.
Основной технической проблемой прототипа является конструктивное разделение газовой горелки на две части - для нагрева головки двигателя Стирлинга (двигателя внешнего сгорания и для нагрева теплогенератора, что влечет повышение конструктивной сложности и снижение КПД, на который также влияет отсутствие подогрева топлива и воздуха перед их воспламенением. Также к недостатку прототипа можно отнести то, что система управления газовыми горелками основывается на показаниях параметров тока и напряжения генератора, которые зависят не только от частоты вращения вала генератора, но и от электромагнитной совместимости с потребителем электрической энергии и вносимых им кондуктивных помех, что снижает точность управления газовыми горелками и КПД.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции установки и повышение КПД.
Указанный технический результат достигается за счет того, что установка когенерационная на базе двигателя внешнего сгорания, содержащая двигатель внешнего сгорания, кинематически связанный с генератором электрической энергии и блок управления, отличающаяся тем, что содержит котел с дымоходом для отвода продуктов горения топлива, при этом котел выполнен с возможностью передачи посредством продуктов горения топлива тепла потребителю тепловой энергии и нагрева рабочей части двигателя внешнего сгорания, электрический выход генератора электрической энергии подключен к потребителю электрической энергии, к блоку управления подключены датчик оборотов, выполненный с возможностью измерения частоты вращения вала генератора электрической энергии, и датчик температуры теплоносителя потребителя тепловой энергии, при этом управляющие выходы блока управления подключены к блоку подогрева и подачи воздуха в котел, к блоку подогрева и подачи топлива, а также к блоку возбуждения, выход которого подключен к генератору электрической энергии.
В частности, рабочая часть двигателя внешнего сгорания расположена в котле.
В частности, котел и рабочая часть двигателя внешнего сгорания соединены тепловыми трубками.
В частности, котел и рабочая часть двигателя внешнего сгорания соединены дымоходом.
В частности, в дымоходе выполнены перепускные патрубки с клапанами, регулируемыми блоком управления, и теплообменниками для передачи тепла патрубку для подачи воздуха, который через клапан, регулируемый блоком управления, сообщается с котлом и образует блок подачи и подогрева воздуха, и к топливопроводу, который сообщает топливный бак через топливный насос с котлом и образует блок подачи и подогрева топлива.
В частности, топливопровод выполнен в виде газовой магистрали и сообщает газгольдер через регулируемый клапан с котлом и образует блок подачи и подогрева топлива.
В частности, в дымоходе выполнен перепускной патрубок для нагрева рабочей части двигателя внешнего сгорания с клапаном, регулируемым блоком управления.
В частности, в дымоходе расположен теплообменник с теплоносителем потребителя тепловой энергии
В частности, генератор электрической энергии выполнен в виде синхронного линейного генератора с постоянными магнитами.
В частности, двигатель внешнего сгорания выполнен в виде двигателя Стирлинга.
В частности, к генератору электрической энергии подключен датчик контроля качества электрической энергии, выход которого подключен к блоку управления.
В частности, блок управления подключен к двигателю внешнего сгорания с возможностью регулирования его мощности.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана блок-схема установки когенерационной на базе двигателя внешнего сгорания.
На фиг. 2 показано схематичное изображение установки когенерационной на базе двигателя внешнего сгорания.
На фиг. 3 показана блок-схема соединения элементов установки когерационной с блоком управления.
На фигурах обозначено: 1 - котел, 2 - двигатель внешнего сгорания, 3 - генератор электрической энергии, 4 - потребитель электрической энергии, 5 - потребитель тепловой энергии, 6 - блок подачи и подогрева воздуха, 7 - блок подачи и подогрева топлива, 8 - топливный бак, 9 - датчик оборотов, 10 - датчик контроля качества электрической энергии, 11 - блок управления, 12 - блок возбуждения, 13 - датчик температуры, 14 - дымоход, 15 - перепускные патрубки, 16 - регулируемые клапаны, 17 - теплообменники, 18 - патрубок для подачи воздуха в котел, 19 - топливопровод, 21 - топливный насос.
Осуществление полезной модели.
В одном из возможных вариантов реализации заявленная установка когерационная содержит котел 1, который выполнен с возможностью нагрева рабочей части двигателя внешнего сгорания 2, при этом двигатель внешнего сгорания 2 кинематически связан с генератором электрической энергии 3, электрический выход которого подключен к потребителю электрической энергии 4. Также котел 1 выполнен с возможностью передачи тепла потребителю тепловой энергии 5.
К котлу 1 подключен блок подогрева и подачи воздуха 6, выполненный с возможностью подачи в котел 1 горячего воздуха, нагретого от котла 1, а также блок подогрева и подачи топлива 7, выполненный с возможностью подачи в котел 1 топлива из топливного бака 8 и нагрева его от котла 1.
К двигателю внешнего сгорания 2 подключен датчик оборотов 9, к выходу генератора электрической энергии 3 подключен датчик контроля качества электрической энергии 10. Выходы датчика оборотов 9 и датчика контроля качества электрической энергии 10 подключены к блоку управления 11. Выход блока управления 11 подключен к двигателю внешнего сгорания 2, блоку возбуждения 12, выход которого подключен к генератору электрической энергии 3. К блоку управления 11 подключен датчик температуры 13, который выполнен с возможностью контроля температуры теплоносителя потребителя тепловой энергии 5.
Зависимые признаки заявленного технического решения могут реализованы следующим образом.
Котел 1 сообщается с дымоходом 14, который предназначен для отведения продуктов сгорания топлива от котла 1. К дымоходу 14 присоединены патрубки 15, выполненные с возможностью отведения части горячих газов от дымохода 14. В нижней части патрубков 15 расположены регулируемые клапаны 16, к которым подключен блок управления 11, при этом в верхней части патрубков 16 расположены теплообменники 17.
В блоке подачи и подогрева воздуха 6 расположен воздушный теплообменник 17, который патрубком для подачи воздуха 18 и регулируемым клапаном 16 сообщается с котлом 1.
В блоке подачи и подогрева топлива 7 расположен теплообменник 17, который выполнен с возможностью нагрева топлива в топливопроводе 20, который сообщает топливный бак 8 через топливный насос 21 с котлом 1.
В дымоходе 14 выполнен теплообменник с теплоносителем для потребителя тепловой энергии 5.
Рабочая часть двигателя внешнего сгорания 2 сообщается с перепускным патрубком патрубок 15, в котором расположен регулируемый клапан 16.
Заявленная когерационная установка с двигателем внешнего сгорания работает следующим образом.
В исходном положении когерационной установки регулируемый клапан 16 блока подачи и подогрева воздуха 6 находится в открытом положении, а остальные регулируемые клапаны 16 в закрытом положении.
Для активации когерационной установки включают топливный насос 21 и топливо из бака 8 подают в котел 1, в котором его воспламеняют, при этом продукты горения топлива из котла 1 поднимаются вверх по дымоходу 14 и одновременно создается воздушная тяга, которая обеспечивает через патрубок 18 подачу свежего воздуха в котел 1.
После чего открывают регулируемый клапан 16 перепускного патрубка 15 двигателя внешнего сгорания 2, при этом через него начинают проходить продукты горения, которые нагревают рабочую часть двигателя внешнего сгорания 2. Постепенно при нагреве рабочей части двигатель внешнего сгорания 2 начинает приводить в движение вал генератора электрической энергии 3, при этом датчик оборотов 9 передает в блок управления 11 данные о частоте оборотов вала генератора электрической энергии 3.
На данном этапе работы блок возбуждения 12 обеспечивает начальное возбуждение и холостой ход генератора электрической энергии 3. Кроме того, блок возбуждения 12 по сигналам от блока управления 11 может обеспечить включение в сеть методом точной синхронизации или самосинхронизации, работу в энергосистеме с допустимыми нагрузками и перегрузками, форсировку возбуждения по напряжению и по току с заданной кратностью, разгрузку по реактивной мощности и развозбуждение при нарушениях в энергосистемах, а также гашение поля генератора в аварийных режимах и при нормальной остановке и электрическое торможение генератора электрической энергии.
При достижении валом генератора электрической энергии 3 номинальных оборотов он передает электрическую энергию потребителю электрической энергии 5.
Во время работы установки по сигналам блока управления 11 открываются регулируемые клапаны 16 блока подачи и подогрева воздуха 6 и блока подачи и подогрева топлива 7, при этом теплообменники 17 передают часть тепловой энергии от продуктов горения воздуху и топливу, что обеспечивает повышение температуры горения топлива в котле 1 и повышение КПД установки, а также частоты вращения вала генератора электрической энергии 3.
При достижении верхнего допустимого значения частоты вращения вала генератора 3 блок управления 11 может снизить производительность топливного насоса 21 и тем самым сократить подачу топлива в котел 1.
В случае повышения потребления электрической мощности потребителем электрической энергии 4, возрастает магнитное сопротивление обмоток генератора электрической энергии 3, что ведет к снижению частоты вращения вала генератора электрической энергии 3 и к необходимости повышения крутящего момента двигателем внешнего сгорания 2. Для чего блок управления 11 сильнее открывает регулируемые клапаны 16, что ведет к повышению температуры продуктов горения и интенсификации нагрева рабочей поверхности двигателя внешнего сгорания 2. Если регулируемые клапаны 16 блока подачи и подогрева воздуха 6, а также блока подачи и подогрева топлива 7 полностью открыты и необходимо дополнительно увеличить крутящий момент двигателя внешнего сгорания 2, тогда блок управления 11 увеличивает производительность топливного насоса 21.
Таким образом, когерационная установка поддерживает частоту вращения вала генератора электрической энергии 3 в оптимальном пределе частот для получения стабильных показателей напряжения и частоты с высоким КПД, за счет чего обеспечивается достижение заявленного технического результата.
Значения частоты, напряжения и тока генератора электрической энергии 3 контролируются датчиком контроля качества электрической энергии 10, который данные значения передает в блок управления 11 для повышения точности регулирования частоты оборотов вала генератора электрической энергии 3, при этом указанные значения параметров являются вспомогательными из-за возможного влияния кондуктивных помех от потребителя электрической энергии 4.
Кроме того, продукты горения через теплообменник 17 нагревают теплоноситель потребителя тепловой энергии, при этом его температура контролируется датчиком температуры 13, который передает значение температуры в блок управления 11. В случае необходимости повышения или понижения его температуры изменяют производительность протока теплоносителя через соответствующий теплообменник 17 и(или) применяют такой же способ управления, как и в случае поддержания частоты вращения вала генератора электрической энергии 3 в заданном диапазоне частот, за счет чего также повышается КПД установки благодаря снижению температуры продуктов горения на выходе из дымохода 14.
Упрощение конструкции установки обеспечивается за счет применения одного котла 1 с блоком подачи и подогрева воздуха 6 и блоком подачи и подогрева топлива 7 для эффективного управления генератором электрической энергии 3 и поддержания температуры потребителя тепловой энергии 5.