УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЛАВНОГО СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к дизелестроению и может быть использована дизельными проектными организациями и судами речного и морского транспорта, находящихся в эксплуатации.
Известен патент №92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ №7 [1]. Судовой термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе позволяет утилизировать тепловую энергию отработавших газов, в результате чего происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. Однако данный термоэлектрический генератор не может быть использован для утилизации тепловой энергии системы охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания (СДВС), так как низкая температура охлаждающей воды (80-95°С) не позволяет использовать термоэлектрический генератор.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа патент №166326. Россия, МПК В63Н 23/24. Судовая энергосберегающая установка/В.Н. Тимофеев, Л.В. Тузов, O.K. Безюков, В.А. Жуков, Н.Ф. Тихонов, Д.В. [2].
В судовой энергетической установке используется силовая установка, состоящая из турбины с низкокипящим рабочим веществом, испарителя и конденсатора, при этом рабочее вещество испаряется в испарителе за счет утилизации тепловой энергии главной судовой дизельной установки и использования тепловой энергии накопительной емкости и главного судового котла, поступающей в испаритель через теплоноситель, испарение рабочего вещества происходит в теплообменнике, одной полостью которого является испаритель, а в другой полости проходит теплоноситель, нагретый судовыми котлами судовой энергетической установки и накопительной емкости. Конденсатором является другой теплообменник, в одной полости которого проходит отработавший пар, а в другой - охладитель, который отбирает теплоту у отработавшего пара, превращая его в жидкость, охладителем является забортная вода с температурой 7-8°С в осенне-зимнее время, а в весенне-летнее время указанная забортная вода дополнительно охлаждается до температуры 7-8°С в холодильнике абсорбционной холодильной установки данной системы. В результате всего этого будет обеспечен довольно высокий перепад температур испарения и конденсации рабочего вещества соответственно и довольно высокий КПД преобразования тепловой энергии судовых котлов, что приводит к повышению топливной экономичности и КПД судовой энергетической установки.
Основным недостатком этого патента является то, что в нем тепловая энергия системы охлажденияглавного двигателя не используется, то есть не принимает участие в выработке электроэнергии, тепловая энергия системы охлаждения внешним контуром удаляется за борт, тем самым снижается эффективность работы дизельной установки. Доля располагаемой теплоты, приходящаяся на потери с охлаждающей водой, достигает до 30%. «Тимофеев В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис. … докт. техн. наук /В Тимофеев. - СПб, 2015, 2015, - 385 с. (стр. 31)[3]».
Современные системы утилизации тепловых отходов ДВС дают возможность использовать не только теплоту выхлопных газов, но и тепловую энергию системы охлаждения. «Белов Г.В., Дорохова М.А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2014. - №2. - С.99-124 [4].
Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства, позволяющего преобразовать тепловую энергию внутреннего контура системы охлаждения главного судового дизеля в электрическую энергию.
Техническим результатом при этом является повышение КПД главного судового дизеля за счет увеличения доли теплоты, превращаемой в полезную работу.
Технический результат достигается тем, что устройство для преобразования тепловой энергии системы охлаждения главного судового дизеля в электрическую энергию, содержащее главный судовой дизель; выхлопной трубопровод, абсорбционную холодильную машину, электрический трехходовой вентиль. контролирующий температуру забортной воды, дополнительно содержит систему охлаждения главного судового дизеля, состоящую из внутреннего контура с электрическим терморегулятором и элементами автоматики и внешнего контура, органический цикл Ренкина (ОЦР), содержащий испаритель, пароперегреватель, паровую турбину, генератор, конденсатор, электрический насос с электродвигателем, при этом, в испарителе происходит теплообмен между охлаждающей водой внутреннего контура системы охлаждения и низкокипящим веществом ОЦР, пароперегреватель расположен на выходном трубопроводе отработавших газов и через выход связан с паровой турбиной ОЦР, а в электрическом трехходовом вентиле один выход подключен к абсорбционной холодильной машине, а другой выход связан с конденсатором ОЦР.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для преобразования тепловой энергии системы охлаждения (СО) судового дизеля в электрическую энергию, которая содержит главный судовой дизель 1, внутренний контур системы охлаждения, включающий в себя теплообменник 2, электрический терморегулятор (ЭТРГ) 3, циркуляционный насос 4, электрический датчик температуры (ДТ) 5, электрический датчик нагрузки (ДН) 6. От ЭТРГ 3 отводится перепускной канал 25. ЭТРГ 3 выполняется по патенту №2270923, Россия, F01P 7/16. Электрический термостат/ В.Н. Тимофеев, Н.П. Кузин, А.Н. Краснов. Опубл. 27.02.06. БИ.№6 [5].
Внешний контур системы охлаждения, включающий в себя канал подвода охлаждающей жидкости 26, канал отвода охлаждающей жидкости 27, остальные элементы внешнего контура не показаны.
Органический цикл Ренкина (ОЦР) представляет собой замкнутый цикл, содержит испаритель 9, пароперегреватель 7, который расположен на выхлопном трубопроводе отработавших газов 21; паровую турбину 10, генератор 11, конденсатор 12, электрический насос 13 с электродвигателем 14. ОЦР заправляется низкокипящим веществом (НВ). При выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна: хорошие теплофизические свойства; нетоксичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.
Устройство также содержит абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 8, электрический трехходовой вентиль (ЭТРВ) 15, датчик температуры 16; элементы автоматики: программируемый блок управления (ПБУ) 17, блок сравнения (БС) 18, задатчики 19, 20; каналы внутреннего контура СО: 22, 23, 24, 25; каналы забортной воды, обслуживающие конденсатор: 12: 28, 29, 30, 31; каналы низкокипящего вещества (НВ). циркулирующего по ограниченному циклу Ренкина: 32, 33, 34, 35; канал 36, подающий электроэнергию потребителю, выработанной генератором 11; каналы электроэнергии, обслуживающие электрические элементы устройства: 37, 38, 39; каналы электрических сигналов: 40, 41, 42, 43, 44, 45.
В ПБУ 17 закладывается программа, чтобы ЭТРГ 3 обеспечил поддержание требуемого температурного режима во внутреннем контуре СО при переменных нагрузках, то есть на режимах холостого и частичных нагрузках температура охлаждающей воды должна поддерживаться в пределах 95-98°С, а на номинальных - 80-85°С, при этом используется патент 208250, РФ. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания/ Тимофеев В.Н., Салахов И.Р., Харисова н.Р., Кутепова Л.М., Каюмова Г.Г., Садыков Т.М., Юнусова А.Р., Тимербулатова И.Р. Опубл. в НИ №34. 10.12.21 [6].
АБХМ 8 служит для понижения температуры забортной воды до 5-7°С в летнее время и ее подачи в конденсатор 12, где для работы цикла Ренкина появляется возможность создания минимального размера разности температур 52°С между источником тепла - отработанным паром и теплоотводом - забортной водой; выполняется по патенту №2466289. Россия, МПК 02G 5/02. Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск/Тимофеев В.Н., Безюков O.K., Клюс О.В., Васильева И.Г., Тимофеев Д.В. Опубл. 10.11.2012. Бюл. №31 [7].
Элементы автоматики ПНУ 17, БС18, задатчики 19. 20, ДТ 5, ДН 6 обеспечивают автоматическое регулирование и поддержания требуемой температуры в условиях эксплуатации. В качестве рабочего тела предлагается низкокипящее вещество, имеющее более низкую, чем у воды, температуру кипения. Благодаря этому, испарение рабочего тела происходит при относительно низкой температуре, что и позволяет утилизировать низкопотенциальную энергию - тепловую энергию системы охлаждения дизеля.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. После запуска дизеля предлагаемое устройство начинает работать. Так как после пуска дизель должен работать на частичных нагрузках, то блок управления по каналу 37 подает питание на ЭТРГ 3. который приводится в действие и закроет канал на теплообменник 2. откроет канал 25 и весь поток охлаждающей воды будет поступать в дизель 1 минуя теплообменника 2, то есть система охлаждения будет работать на перепуск и температура охлаждающей воды будет повышаться. При этом охлаждающая вода из дизеля 1 по каналу 22 направляется в испаритель 9. Одновременно начинает работать органический цикл Ренкина и АБХМ 8. ПБУ 17 подает по каналу 38 электроэнергию на электрический насос 13 и электродвигатель 14 запускается, а по каналу 39 подачей электроэнергии запускается электрический трехходовой вентиль 15, который контролирует температуру забортной воды и по каналу 28 забортная вода подается в конденсатор 1 2.
В испарителе 9 происходит теплообмен между охлаждающей водой системы охлаждения имеющей температуру 95°С и низкокипящим веществом, в результате низкокипящее вещество превращается в пар с давлением. Выходя из испарителя 9 полученный пар проходит канал 32, пароперегреватель 7, установленный на канале отработавших газов 21, где увеличивается температура пара, а далее перегретый пар по каналу 33 поступает в турбину 10 и, расширяясь, совершает работу, вал которой связан с электрогенератором 11. Происходит выработка электрической энергии в электрогенераторе 11, которая по каналу 36 поступает потребителю.
з.в.
Отработанный пар по каналу 34 поступает в конденсатор 12 в результате теплообмена забортной водой с температурой Т≤5°С, где пар охлаждается и превращается в жидкость, которая по каналу 35 поступает в циркуляционный насос 13. который повышает давление низкокипящего вещества. Далее по каналу поступает в испаритель 9 и цикл повторяется.
В зависимости от требований к тепловому режиму двигателя задатчик 43 устанавливается на заданные температурные режимы и связан с блоком сравнения 18.
При повышении нагрузки двигателя до номинального значения сигнал от датчика температуры 5 подается в блок сравнения 18. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 20 подается на задатчик 43, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает на блок сравнения 18. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 5 и задатчика 19, в блоке сравнения 18 происходит вычисление регулирующего сигнала, который поступает в ПБР 17, а ПБУ 17 по каналу 37 подает электроэнергию на ЭТРГ 3, который открытием и закрытием каналов на теплообменник 2 и перепуск устанавливает температуру охлаждающей воды СО. например 85°С. Тогда по каналу 22 подается в испаритель 9 тепловая энергия охлаждающей воды СО и органический цикл Ренкина в данном устройстве будет происходить при температуре теплоносителям 85°С.
з.в.
Электрический датчик температуры 16 подает по каналу 42 сигнал па задатчик 20. Аналогично задатчик 20 устанавливается на заданный температурный режим, Т≤5°С и при превышении этого значения по каналу 45 подается сигнал па ЭТРГВ 15, который закрывает канал 28, открывает канал 30 и поток забортной воды направляется в АБХМ 8. где происходит понижение температуры до требуемого значения и поканалам 31, 28 подается в конденсатор 12.
Таким образом, устройство для преобразования тепловой энергии системы охлаждения главного судового дизеля в электрическую энергию используя органический цикл Ренкина и низкокипящее вещество удается утилизировать тепловую энергию системы охлаждения главного судового дизеля и получить электрическую энергию и тем самым увеличить КПД главного судового дизеля. Достоинством цикла Ренкина по сравнению с циклами Брайтона, Стерлинга и Калины являются относительная простота реализации, дешевизна оборудования и эффективность. Кроме того, главным достоинством ограниченного цикла Ренкина является возможность его адаптации к тепловой энергии системы охлаждения главного судового дизеля.
Источник информации
1. Патент №92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.П. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ №7.
2. Патент №166326. Россия, МПК В63Н 23/24. Судовая энергосберегающая установка/В.Н. Тимофеев, Л.В. Тузов, O.K. Безюков, В.А. Жуков, Н.Ф. Тихонов, Д.В.
3. Тимофеев В.Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис. … докт. техн. наук /В Тимофеев. - СПб, 2015, 2015, - 385 с. (стр. 31) [3].
4. Белов Г.В., Дорохова М.А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование: научное издание МГТУ им. И.Э. Баумана. - 2014. -№2. -С.99-124.
5. Патент №2270923, Россия, F01P 7/16. Электрический термостат/ В.Н. Тимофеев, Н.П. Кузин, А.Н. Краснов. Опубл. 27.02.06. БИ.№6.
6. Патент 208250, РФ. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания/ Тимофеев В.Н., Салахов И.Р., Харисова Н.Р., Кутепова Л.М., Каюмова Г.Г., Садыков Т.М., Юнусова А.Р., Тимербулатова И.Р. Опубл. в БИ №34, 10.12.21.
7. Патент №2466289. Россия. МПК 02G 5/02. Система для охлаждения свежего заряд» и отработанных газов судового дизеля, подаваемых на впуск/Тимофеев В.Н., Безюков O.К., Клюс О.В., Васильева И.Г., Тимофеев Д.В. Опубл. 10.1 1.2012. Бюл. №31.