МОБИЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ
MOBILE SELF-CONTAINED ELECTRIC POWER SOURCE

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к мобильным автономным устройствам для получения тепловой и электрической энергии, и может быть использовано для электрообеспечения, отопления и горячего водоснабжения различных стационарных и временно развернутых помещений различного назначения, не имеющих централизованных источников энергии, в т.ч. в походных или аварийных условиях.
Известен автономный источник электрической и тепловой энергии (см. патент RU №2272919, F02В 63/04, 27.03.2006 г.). Автономный источник электрической и тепловой энергии содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с магистралью подачи топлива и жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выхлопной патрубок с газожидкостным теплообменником, генератор электрической энергии и раму. Газожидкостный теплообменник выполнен в виде теплопарогенератора с камерой сгорания и газовым эжектором, жидкостные контуры газожидкостного теплообменника подключены к потребителю или промежуточному теплообменнику. В магистралях подачи топлива в ДВС и теплогенераторе могут быть установлены регулирующе-отсечные клапаны, причем топливо для них может быть общим. Перед соплом газового эжектора образована полость, являющаяся ресивером, а само сопло играет роль воспламенителя. Жидкостный контур охлаждения ДВС может быть подключен через промежуточный теплообменник к жидкостному контуру газожидкостного теплообменника теплогенератора.
Недостатками прототипа являются низкая теплопроизводительность при высоком расходе топлива и недостаточной степени утилизации тепловой энергии выхлопных газов, привязанность к одному виду топлива (метан), низкая экологическая безопасность, ограниченность возможностей использования.
Предлагаемым изобретением решается задача: сокращение энергозатрат, улучшение экологической безопасности и расширение сферы применения.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении расхода топлива, тепловых потерь и вредных выбросов в атмосферу, расширении функциональных возможностей при эксплуатации за счет применения в комплексе с ДВС вихревого теплогенератора роторного типа.
Указанный технический результат достигается тем, что в мобильном автономном источнике энергообеспечения, состоящем из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выхлопного патрубка с теплообменником, генератора электрической энергии, рамы, новым является то, что двигатель внутреннего сгорания оснащен валом отбора мощности, к которому подключен вихревой теплогенератор роторного типа с входным и выходным патрубками, установленный в термоизолированном теплообменнике, который в свою очередь связан с жидкостным контуром охлаждения и выхлопным патрубком ДВС, корпус теплогенератора, трубопроводы, связанные с жидкостным контуром охлаждения и выхлопным патрубком, внутри теплообменника выполнены с экранирующими теплообменными поверхностями. Входной и выходной патрубки теплогенератора могут быть связаны с системой теплопотребления. В жидкостном контуре охлаждения может быть установлена перед теплообменником, между прямым и обратным трубопроводом, трубопроводная перемычка с вентилем.
Выбор в качестве основного элемента мобильного автономного источника энергообеспечения двигателя внутреннего сгорания, оснащенного валом отбора мощности, позволяет:
- во - первых, одновременно оснастить ДВС преобразователями механической энергии вращения в тепловую и/или электрическую энергию;
- во - вторых, использовать в качестве энергоносителя для ДВС различные виды жидкого и газообразного топлива, наиболее выгодные и доступные для условий конкретной местности;
- в - третьих, обеспечить мобильность и автономность данного источника энергообеспечения.
Подключение вихревого теплогенератора роторного типа к валу отбора мощности позволяет:
- во - первых, обеспечить высокую эффективность преобразования механической энергии вращения ротора теплогенератора в тепловую энергию высокопроизводительным кавитационно-вихревым способом;
- во - вторых, повысить экологическую безопасность источника энергообеспечения за счет исключения получения тепловой энергии путем прямого сжигания энергоносителя, сопровождающегося выбросом твердых отходов горения;
- в - третьих, облегчить прокачивание теплоносителя через систему теплопотребления за счет наличия у вихревого теплогенератора способности создания собственного напора;
- в - четвертых, снизить расход топлива при сохранении высокого уровня теплопроизводительности.
Установка вихревого теплогенератора с входным и выходным патрубками в термоизолированном теплообменнике позволяет:
- во - первых, максимально исключить безвозвратные тепловые потери, заключающиеся в излучении тепловой энергии с наружных поверхностей вихревого теплогенератора в окружающую среду;
- во - вторых, сформировать замкнутый контур циркуляции нагреваемой жидкости внутри теплообменника, позволяющий поддерживать высокую теплопроизводительность теплогенератора;
- в - третьих, снизить шумовые и вибрационные показатели при работе вихревого теплогенератора.
Соединение теплоизолированного теплообменника с жидкостным контуром охлаждения и выхлопным патрубком ДВС позволяет:
- во - первых, обеспечить дополнительный нагрев теплоносителя, циркулирующего в системе теплопотребления, за счет тепловой энергии жидкостного контура охлаждения и выхлопного патрубка двигателя, тем самым существенно сократить тепловые потери при работе ДВС;
- во - вторых, обеспечить компактность всего источника энергообеспечения в целом, сосредоточив получение выработанной и утилизированной тепловой энергии в одном месте.
Выполнение корпуса теплогенератора и соединительных трубопроводов, связанных с жидкостным контуром охлаждения и выхлопным патрубком, внутри теплообменника с экранирующими теплообменными поверхностями позволяет осуществить эффективную теплоотдачу от всех источников тепловой энергии в нагреваемую жидкость, ограниченную объемом теплообменника.
Соединение входного и выходного патрубка теплогенератора, размещенного в теплообменнике, напрямую с системой теплопотребления позволяет:
- во - первых, обеспечить режим стабильной циркуляции во внутренней полости теплогенератора и системе теплопотребления, используя возможность создания теплогенератором собственного напора;
- во - вторых, улучшить динамику теплообменного процесса в термоизолированном теплообменнике;
- в - третьих, эксплуатировать систему теплопотребления без водоподготовки, т.к. вихревой теплогенератор имеет способность к постепенному измельчению и растворению твердых известковых включений, поддерживая трубопроводы долгое время в работоспособном состоянии;
- в - четвертых, обеспечить независимый отвод нагретого теплоносителя к системе теплопотребления без установки дополнительного бойлера для горячей жидкости и использовать его для нужд горячего водоснабжения, для технологического подогрева воды с повышенными требованиями к чистоте или жидкостей иного состава в химической и пищевой промышленности и тем самым расширить функциональные возможности источника энергообеспечения.
Установка в жидкостном контуре охлаждения перед теплообменником, между прямым и обратным трубопроводом, трубопроводной перемычки с вентилем позволяет 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.
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 мобильного автономного источника энергообеспечения, подключенного к системе теплопотребления (СТ) и горячего водоснабжения (ГВС); на фиг.2 - схема соединения входного и выходного патрубков теплогенератора напрямую с СТ.
Мобильный автономный источник энергообеспечения состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 1, к валу которого через муфту 2 присоединен генератор 3 электрической энергии. ДВС 1 имеет вал 4 отбора мощности, который через муфту 5 связан с валом вихревого теплогенератора 6 роторного типа с входным 7 и выходным 8 патрубками. Теплогенератор 6 установлен в термоизолированном теплообменнике 9. Корпус вихревого теплогенератора 6 покрыт экранирующими теплообменными поверхностями 10. Жидкостный контур охлаждения 11 с насосом 12 связан с трубопроводом 13, имеющим экранирующие теплообменные поверхности 14 и размещенным в термоизолированном теплообменнике 9. В жидкостном контуре охлаждения 11 перед теплообменником 9 между прямым и обратным трубопроводом установлена трубопроводная перемычка 15 с вентилем 16. В прямом трубопроводе также установлен вентиль 17. Выхлопной патрубок 18 ДВС 1 проходит внутри теплообменника 9. Та его часть, что размещена внутри теплообменника 9, имеет экранирующие теплообменные поверхности 19. Далее выхлопной патрубок 18 через глушитель 20 связан с атмосферой. Термоизолированный теплообменник 9 через вентиль 21 соединен с водопроводной магистралью 22 и системой теплопотребления и горячего водоснабжения (СТ и ГВС). Приборы отопления Р1…Рn через вентили В1, В4 связаны напрямую с теплообменником 9. Водоразборные краны К1…Кn связаны с теплообменником 9 через вентили В2, В3 и бойлер горячей воды (БГВ). СТ и ГВС оснащена сетевым насосом (СН). БГВ связан с водопроводной магистралью через вентиль В5. Узлы мобильного автономного источника энергообеспечения размещены на раме (на чертежах не показана), которая может быть стационарно или при транспортировке установлена на передвижную платформу соответствующей грузоподъемности (автомобильную, железнодорожную и т.п.).
В варианте исполнения входной 7 и выходной 8 патрубки теплогенератора 6 могут быть связаны с системой теплопотребления (СТ) напрямую через вентили В2, В3, а система горячего водоснабжения (СГВ) через вентиль В1 - с теплообменником 9. СТ связана с водопроводной магистралью вентилем В4.
Мобильный автономный источник энергообеспечения работает следующим образом. Предварительно через водопроводную магистраль 22 при открытом вентиле 21 теплообменник 9, теплогенератор 6, СТ и ГВС заполняются теплоносителем. Расходная часть БГВ заполняется при открытом вентиле В4. Запускается двигатель внутреннего сгорания 1. После выхода ДВС 1 на номинальный режим работы генератор 3 электрической энергии через муфту 2 подключается к валу двигателя и начинает вырабатывать электрическую энергию, поступающую потребителю. Причем некоторая часть электрической энергии отбирается для питания приводов насосов 12 и СН. Через вал 4 отбора мощности с муфтой 5 вращение передается на вал с ротором теплогенератора 6. Жидкость начинает циркулировать от входного патрубка 7, где расположена зона пониженного давления, к выходному патрубку 8 и с повышенным давлением от действия центробежной силы выбрасывается во внутреннюю полость теплообменника 9. При этом происходит интенсивный ее нагрев за счет действия сил трения между корпусом теплогенератора 6 и его ротором и интенсивных кавитационных процессов, формирующихся там же. Причем отвод тепловой энергии теплогенератора осуществляется и с его наружной поверхности от экранирующих теплообменных поверхностей 10. Теплоноситель в теплообменнике 9 начинает прогреваться. В жидкостном контуре охлаждения 11 с помощью насоса 12 циркулирует нагретая охлаждающая жидкость, которая отводит тепло от работающего ДВС 1 и, протекая по трубопроводу 13 с экранирующими теплообменными поверхностями 14 в теплообменнике 9, отдает его циркулирующему в СТ и ГВС теплоносителю. При установке в жидкостном контуре охлаждения 11 перед теплообменником 9 между прямым и обратным трубопроводом трубопроводной перемычки 15 с вентилем 16, а в прямом трубопроводе вентиля 17, возможно регулирование количества поступающего в трубопровод 13 теплоносителя вплоть до полного прекращения его поступления и замыкания циркуляции охлаждающеей жидкости на штатный теплообменник двигателя (радиатор). Таким образом, упрощается достижение необходимого теплового баланса для работающего ДВС 1. Высокотемпературные отработанные газы ДВС 1 через выхлопной патрубок 18 с экранирующими теплообменными поверхностями 19 проходят внутри теплообменника 9, что сопровождается значительным дополнительным нагревом теплоносителя. Далее охлажденные отработанные газы через глушитель 20 поступают в атмосферу. Из термоизолированного теплообменника 9 нагретый теплоноситель поступает в систему теплопотребления и горячего водоснабжения (СТ и ГВС). Раздача тепловой энергии осуществляется при помощи приборов отопления Р1…Рn при открытых вентилях В1, В4. При открытых вентилях В2, В3 происходит нагрев воды в заполненном бойлере горячей воды (БГВ), которая через водоразборные краны К1…Кn поступает по необходимости потребителю. Циркуляция теплоносителя в СТ и СГВ осуществляется при помощи сетевого насоса (СН).
В варианте исполнения, когда входной 7 и выходной 8 патрубки теплогенератора 6 связаны с системой теплопотребления (СТ) напрямую через вентили В2, В3, а система горячего водоснабжения (СГВ) через вентиль В1 - с теплообменником 9, функционируют два независимых контура: для отопления и горячего водоснабжения.
Таким образом, в предлагаемом мобильном автономном источнике энергообеспечения решена задача по достижению технического результата, заключающегося в снижении расхода топлива, тепловых потерь и вредных выбросов в атмосферу, расширении функциональных возможностей при эксплуатации за счет применения в комплексе с ДВС вихревого теплогенератора роторного типа.