Устройство для утилизации тепловой энергии отработавших газов судовой энергетической установки

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в судовых энергетических установках.
Известно «Устройство для терморегулирования молока при его транспортировке» (Патент №44173. Устройство для терморегулирования молока при его транспортировке/ В.Н. Тимофеев, И.М. Селиванов, Г.Е. Чекмарев, С.Е. Сироткин. Опубл. 20.02.04 в БИ [1]). Устройство содержит цистерну с молоком, термоэлектрические элементы, термоэлектрический генератор и элементы автоматики. Термоэлектрический генератор (ТЭГ) установлен на выхлопной трубе автомобильного двигателя, а термоэлектрические элементы - в цистерне с молоком. ТЭГ во время движения автомобиля вырабатывает электрическую энергию, используя эффект Зеебека. Полученная электроэнергия поступает в электрические элементы, которые, используя эффект Пельтье, охлаждают содержимое молоко в цистерне. Основным недостатком данного устройства является то, что данное устройство работает только во время движения автомобиля. Кроме того, устройство предназначено только для охлаждения молока.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания (Патент №2204030 Россия, МКИ F01P 7/16. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания./В.Н. Тимофеев, П.А. Васильев. (Россия). Опубл. в БИ 10.05.2003 [2]). Устройство содержит на выхлопной трубе термоэлектрический генератор (ТЭГ), а в системе охлаждения двигателя предусмотрено устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости, в котором основным элементом является твердый наполнитель, который связан через шток с клапанами: один клапан служит для подачи охлаждающей жидкости на радиатор, другой на перепуск. Работу клапанов дополнительно контролирует термоэлектрический охладитель-нагреватель (ТЭОН), связанный с твердым наполнителем, работающий по эффекту Пельтье. Во время работы двигателя ТЭГ вырабатывает электрическую энергию и через блок управления производит питание термоэлектрического элемента, что позволяет эффективно регулировать температуру охлаждающей жидкости на всех режимах его работы.
Основным недостатком данного устройства является то, что устройство предназначено только для обслуживания (питания) только самого двигателя, при остановке двигателя работа ТЭГ и ТЭОН прекращается.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства, позволяющего обеспечивать электроэнергией не только самого дизеля, но и судовых жилых и служебных помещений во время эксплуатации судовой энергетической установки.
Техническим результатом, достигаемым при этом, является утилизация отработавшей тепловой энергии судовой энергетической установки путем прямого преобразования отработавшей тепловой энергии дизель-генератора в электрическую энергию и ее использование для питания термоэлектрического охладителя-нагревателя при нерабочем состоянии главного судового дизеля.
Этот технический результат достигается тем, что известное устройство, содержащее судовой главный дизель; термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе, дизель-генератор, главный распределительный щит, потребитель электроэнергии, термоэлектрический охладитель-нагреватель, расположенный в ходовой рубке; элементы автоматики дополнительно содержит термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе дизель-генератора, вход которого подключен к главному распределительному щитку, выход через блок реверса связан с термоэлектрическим охладителем-нагревателем. Кроме того, термоэлектрический охладитель-нагреватель содержит блок реверса с переключателями режимов: «холод», «теплота», вход которого подключен к главному распределительному щитку, выход связан с термоэлектрическим охладителем-нагревателем.
На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство для утилизации тепловой энергии отработавших газов судовых двигателей внутреннего сгорания и содержит главный судовой дизель 1; вспомогательный дизель-генератор 2; термоэлектрический генератор 3, 4; главный распределительный щит 5; потребитель судовой электроэнергии 6; потребитель горячей воды 7; ходовую рубку 8; блок реверса 9; термоэлектрический охладитель-нагреватель 10; переключатель режимов: «холод» 11, «теплота» 12; каналы отработавших газов 13, 14, 15, 16; каналы забортной воды 17, 18, 19, 20, 21; каналы электрической энергии 22, 23, 24, 25, 26, 27.
На выхлопном трубопроводе-канале 13 установлен ТЭГ 3, который состоит из термоэлектрических генераторных модулей, охлаждаются каналами забортной воды 17, 18.
Дизель-генератор 2 служит для обслуживания судовой энергетической установки электроэнергией и теплотой во время вынужденных стоянок судна при неработающем главном дизеле 1. На выхлопной трубе вспомогательного дизель - генератора 2 на канале 15 установлен ТЭГ 4. Для поддержания разности температур между холодной и горячей стороной термоэлектрических генераторных модулей (на фигуре не показаны) ТЭГ служат каналы забортной воды 20, 21.
Подогретая вода в ТЭГ3, ТЭГ4 может быть использована потребителем горячей воды 7. Отработанная горячая вода по каналу 19 сливается за борт.
Термоэлектрические генераторы 3, 4, установленные на выхлопных трубопроводах 13, 15 позволяют с использованием эффекта Зеебека преобразовать отработавшую тепловую энергию выхлопных газов в электрическую энергию.
Главный распределительный щит (ГРЩ) 5 - центральный пункт, куда поступает электрическая энергия от источников ТЭГ3, ТЭГ4, и где она распределяется между различными группами потребителей на судне.
В ходовой рубке 8 установлен ТЭОН 10, служит для поддержания требуемой температуры в ходовой рубке 8 при движении судна. В ТЭОН 10 используется эффект Пельтье. В блоке реверса 9 предусмотрены переключатели режимов: «холод» 11, «теплота» 12.
Предлагаемое устройство для утилизации тепловой энергии отработавших газов судовых двигателей внутреннего сгорания работает следующим образом.
После запуска главного судового дизеля 1 по мере появления тепловой энергии от отработавших газов дизеля 1 ТЭГ3 начинает работать. Разность температур между горячей и холодной сторонами ТЭГ3 контролируется забортной водой. При этом на горячей стороне поглощается теплота от отработавших газов, а с холодной стороны отводится теплота охлаждающей воды за вычетом электроэнергии, полученной на внешней нагрузке. А на внешней нагрузке ТЭГ3 создает напряжение, равное ЭДС, за вычетом напряжения внутреннего сопротивления, электроэнергия по каналу подается в главный распределительный щит 5 (ГРЩ5), который осуществляет прием электроэнергии, вырабатываемой термоэлектрическими генераторами 3, 4 и ее распределение между подключенному к нему потребителя 6 и ТЭОН 10.
При вынужденной остановке главного судового дизеля, например, при стоянке на якоре в ожидании выгрузки груза ТЭГ3 перестает работать, тогда запускается вспомогательный дизель-генератор 2, и начинает работать ТЭГ4 и аналогично начинает вырабатывать электрическую энергию, а выработанная электроэнергия подается по каналу 23 в ГРЩ 5. Таким образом
термоэлектрический генератор, установленный на выхлопной трубе главного судового дизеля 1, и дизель-генератора 2 позволяет утилизировать теплоту отработавших газов путем преобразования ее в электрическую энергию;
аккумулировать ее при необходимости в аккумуляторной батарее и обеспечивать потребителей электроэнергией, в результате чего решаются все основные технические задачи по повышению эффективности судового дизеля.
Если температура в ходовой рубке 8 устраивает пользователя (вахтенного начальника), то ТЭОН 10 не работает. В случае появления высокой температуры в летнее время в ходовой рубке 8 пользователь (вахтенный начальник) нажимает на переключатель «холод» 11, и ТЭОН 10 начинает вырабатывать «холод» согласно эффекту Пельтье. Через некоторое время в рубке 8 устанавливается оптимальная температура.
При эксплуатации судна ночью или в холодное время года, когда в ходовой рубке 8 устанавливается пониженная температура пользователь (вахтенный начальник) нажимает на переключатель «теплота» 12. При этом в блоке реверса 9 происходит изменение направления постоянного тока. В этом случае холодные спаи нагреваются, а горячие охлаждаются и ТЭОН 10 начинает работать в режиме теплового насоса, через некоторое время в ходовой рубке 8 устанавливается комфортная для судовождения температура (Тимофеев В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис. докт. техн. наук /В Тимофеев. - СПб, 2015, 2015, - 385 с. [3]).
ТЭОН 10, обладая возможностью получения холода и теплоты на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента, обладает такими свойствами, как
универсальность, то есть возможность перевода термоэлектрического устройства из режима охлаждения в режим нагрева путем реверса постоянного тока;
сочетание в едином устройстве таких традиционно реальных элементов, как источник холода или теплоты и теплообменный аппарат;
простота устройства, компактность и взаимозаменяемость, возможность применения любой компоновочной схемы;
высокая надежность;
практически неограниченный срок службы - позволяют создать быстродействующий электронный ТЭОН.
Таким образом, по приведенному образцу используя эффекты Зеебека, Пельтье можно обеспечивать потребителей дополнительными источниками электроэнергии, теплоты и холода, что позволяет утилизировать отработавшие газы судовых дизелей, увеличить КПД судовой энергетической установки.
Источник информации
1. Патент №44173. Устройство для терморегулирования молока при его транспортировке/ В.Н. Тимофеев, И.М. Селиванов, Г.Е. Чекмарев, С.Е. Сироткин. Опубл. 20.02.04 в БИ.
2. Патент №2204030 Россия, МКИ F01P 7/16. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания./В.Н. Тимофеев, П.А. Васильев. (Россия). Опубл. в БИ 10.05.2003.
3. Тимофеев В. Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис.докт.тех н. наук /В Тимофеев. - СПб, 2015, 2015, - 385 с.