Автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергии и тепла

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга), предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат - повышение КПД и снижение массогабаритных характеристик теплоэнергетической системы. При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в рубашку охлаждения 3 подается вода из системы охлаждения 8, связанной с системой внешнего теплоснабжения 10 через теплообменник 9. Вода из водопровода по линии 11 частично поступает в парогенератор 5 по перемычке 13, частично в пароводяной насос-подогреватель 6. Пар высокого давления из парогенератора 5 по магистрали 15 поступает в пароводяной насос-подогреватель 6, перемешивается с водой, поступающей из линии 11, образуя воду с высокой температурой и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 16 системы горячего водоснабжения. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и преобразователей энергии прямого цикла (например, двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга), предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла.

Известна комбинированная установка на основе двигателя Стирлинга, с электрогенератором на одном валу, линиями подачи топлива и теплообменником для подогрева жидкости, через который проходят высокотемпературные отработанные газы двигателя Стирлинга, при этом нагретая жидкость передается во внешние магистрали (Заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13). Однако данная установка имеет сложную систему совместного охлаждения двигателя и генератора, а также она не предназначена для выработки пара.

Известно устройство силовой установки, содержащей двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с валом потребителя мощности через соединительную муфту, и утилизационную паротурбинную установку с контуром циркуляции рабочего тела, включающим паровую турбину, конденсатор, питательный насос, парогенератор, размещенный в магистрали выпуска высокотемпературных отработанных газов ДВС (Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141 - 142). Однако данное устройство не предназначено для выработки тепловой энергии для теплоснабжения внешних потребителей.

Известно устройство пароводяного насоса-подогревателя (ПНП), предназначенного для применения в различных промышленных технологиях с использованием пара, совмещающего в себе функции подогревателя и насоса одновременно. Применение ПНП позволяет существенно сократить расход электроэнергии на собственные нужды и уменьшить массогабаритные характеристики теплообменных аппаратов ("Энергетика Петербурга" /газета/, N 5, (11), от 25.05.99 г.). Однако ранее пароводяной насос-подогеватель в когенерационных установках не применялся.

Известно устройство когенерационной установки, предназначенной для одновременного получения электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, контур охлаждения двигателя, отопительный контур (система теплоснабжения с потребителями тепла), систему теплообменников, обеспечивающую передачу тепла охлаждающей жидкости двигателя и высокотемпературных отработанных газов в отопительный контур, и щит управления ("Строительное обозрение" //Журнал качества//. СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16-17). Однако данное устройство не предполагает выработку пара и использование его для сокращения потребления электроэнергии на собственные нужды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД системы за счет уменьшения энергозатрат на собственные нужды, и снижении массогабаритных характеристик теплоэнергетической системы в целом.

Для достижения этого технического результата автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, снабжена теплообменником-утилизатором высотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также линией подачи водопроводной воды с регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, пароводяной насос-подогреватель и связанной перемычкой с парогенератором, расположенной после теплообменника-утилизатора и имеющей регулировочный клапан, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора с пароводяному насосу-подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, при этом магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

Введение в состав автономной теплоэнергетической системы для одновременного производства электроэнергии и тепла теплообменника-утилизатора высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненного в виде парогенератора, пароводяного насоса-подогревателя и теплообменника-утилизатора низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также линии водопроводной воды, связанной перемычкой с парогенератором и проходящей через теплообменник-утилизатор низкотемпературных газов, и пароводяной насос-подогреватель и магистрали системы горячего водоснабжения, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования теплоты системы охлаждения двигателя для теплоснабжения внешних потребителей тепла, а остаточного тепла обработанных газов двигателя для горячего водоснабжения, при этом вырабатывается пар высокого давления с целью его дальнейшего использования для замены сетевых насосов и теплообменных аппаратов в системе горячего водоснабжения.

На чертеже изображена автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергии и тепла.

Автономная теплоэнергетическая система включает в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания) 1 с магистралью отработанных газов 2 и рубашкой охлаждения 3, электрогенератор 4, расположенный на одном валу с двигателем 1, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов, выполненный в виде парогенератора 5, пароводяной насос-подогреватель 6, теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7, систему охлаждения 8 двигателя 1, связанную через теплообменник 9 с системой внешнего теплоснабжения 10, линию водопроводной воды 11 с регулирующим клапаном 12, перемычку 13, связывающую линию 11 с парогенератором 5 с регулирующим клапаном 14, магистраль пара высокого давления 15, идущую от парогенератора 5 к пароводяному насосу-подогревателю 6, магистраль 16 системы горячего водоснабжения. Для циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения 8 двигателя 1 предусмотрен насос 17.

Автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергетики и тепла работает следующим образом.

При работе двигатель 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 4, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в рубашку охлаждения 3 подается с помощью насоса 17 охлажденная вода системы охлаждения 8. Для снятия тепловой нагрузки с двигателем 1 система охлаждения 8 связана через теплообменник 9 с системой внешнего теплоснабжения 10. Водопроводная вода через регулирующий клапан 12, по линии 11 поступает в теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов 7, где это вода нагревается остаточным теплом низкотемпературных газов, поступающих из парогенератора 5. Далее из теплообменника-утилизатора 7 часть воды через перемычку 13 с регулирующим клапаном 14 поступает в парогенератор 5 для производства пара высокого давления за счет теплообмена с высокотемпературными отработанными газами, идущими от двигателя 1 по магистрали 2, а другая часть воды поступает в пароводяной насос-подогреватель 6, в который одновременно из парогенератора 5, по магистрали 15 поступает пар высокого давления. В пароводяном насосе-подогревателе 6 за счет особой конструкции и эффекта смешивания двухфазных парожидкостных сред происходит увеличение давления, интенсивное перемешивание пара и воды, с последующим получением горячей воды с высокой температурой (до 100 ^oC) и давлением. За счет этого давления происходит подача горячей воды по магистрали 16 в систему горячего водоснабжения. Для регулирования расхода воды предусмотрены регулирующие клапаны 12, 14.

Источники информации: 1. Заявка ЕПВ N 0457399. Реферативный журнал "Изобретение стран мира", выпуск В-65, N 5, 1993, стр. 13.

2. Авторское свид. N 1677360. Бюллетень изобретений N 34 от 15.4.91 г., стр. 141 - 142.

3. "Энергетика Петербурга" //газета//, N 5, (11), от 25.05.99 г.

4. "Строительное обозрение" //Журнал качества//, СПб., N 5 (32), май-июнь 1999, стр. 16 - 17. - прототип.

Формула изобретения

Автономная теплоэнергетическая система для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающая в себя преобразователь прямого цикла (например, двигатель внутреннего сгорания или двигатель Стирлинга) с электрогенератором на одном валу, линии подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем и теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя, а также линией подачи водопроводной воды с регулирующим клапаном, проходящей через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя, пароводяной насос-подогреватель и связанной перемычкой с парогенератором, расположенной после теплообменника-утилизатора и имеющей регулировочный клапан, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, при этом магистраль отработанных газов двигателя последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1