Патент на изобретение №2272919

(54) АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к мобильным автономным источникам электрической и тепловой энергии. Устройство состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с магистралью подачи топлива и жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выхлопного патрубка с газожидкостным теплообменником, генератора электрической энергии и рамы, согласно изобретению 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 теплопарогенератор 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 теплопарогенератора. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей при высокой степени унификации и повышение КПД путем более полного использования тепла выхлопных газов и водяных паров. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к тепло- и электроэнергетике, а более конкретно к мобильным автономным источникам электрической и тепловой энергии, предназначенным для тепло- электроснабжения объектов различного назначения, в т.ч. в случае чрезвычайных ситуаций (в фермерских хозяйствах, в армии и флоте и т.д.).

Известно устройство на базе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), предназначенное для получения электрической и тепловой энергии, в котором генератор электрического тока подключен к двигателю через узел гидродинамического преобразователя крутящего момента, соединенный с системой использования тепла, отводимого рабочей жидкостью преобразователя крутящего момента и хладагентом двигателя (з. ФРГ №2605932, пр.14.02.76, публ.1981 г, F 02 B 63/04).

К недостаткам известного устройства можно отнести невысокий КПД, связанный с потерями тепловой энергии выхлопных газов, существенные ограничения в получении тепловой энергии для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения, обусловленные мощностью используемого ДВС.

Частично эти недостатки устраняются в устройстве для совместного получения электроэнергии и тепла (п. США №4226214, F 02 B 63/04, НКИ 123-2, з. №923272 от 10.07.78).

Это устройство состоит из ДВС с магистралью подачи топлива и жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выхлопным патрубком с газожидкостным теплообменником и генератора электрической энергии и рамы.

Недостатками этого устройства являются ограниченные возможности в получении тепловой энергии для нужд теплоснабжения и горячего водоснабжения, невысокий уровень унификации, узкая область применения, недостаточное использование водяных паров и тепла продуктов сгорания ДВС.

Задачей, решаемой с помощью автономного источника электрической и тепловой энергии, является расширение функциональных возможностей устройства при высокой степени унификации и повышение КПД путем более полного использования тепла выхлопных газов и водяных паров, содержащихся в этих газах.

Предлагаемый автономный источник электрической и тепловой энергии состоит из двигателя внутреннего сгорания с магистралью подачи топлива и жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выхлопного патрубка с газожидкостным теплообменником, генератора электрической энергии и рамы. Согласно изобретению газожидкостный теплообменник выполнен в виде теплопарогенератора с камерой сгорания и газовым эжектором, сопло которого сообщено с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания, а жидкостные контуры газожидкостного теплообменника подключены к потребителю или промежуточному теплообменнику.

Система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания и теплопарогенератор может быть общей с установленными на входе регулирующе-отсечными клапанами.

Дополнительно жидкостный контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания может быть сообщен через промежуточный теплообменник хотя бы с одним жидкостным контуром газожидкостного теплообменника теплопарогенератора.

Кроме того, полость перед соплом газового эжектора может быть выполнена в виде ресивера.

Учитывая высокую температуру выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания сопло газового эжектора может являться воспламенителем горючей смеси в камере сгорания теплопарогенератора.

Схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Автономный источник электрической и тепловой энергии состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, к валу которого через муфту 2 присоединен генератор электрической энергии 3. Топливо (например, метан) поступает в ДВС 1 по магистрали подачи 4, от которой отходит вторая магистраль 5 подачи топлива в теплопарогенератор 6. ДВС имеет жидкостный контур охлаждения 7 с насосом 8 и промежуточным теплообменником 9, другой контур которого сообщен с рубашкой 10 газожидкостного теплообменника теплопарогенератора 6. В теплообменник 9 поступает вода подпитки через насос 11. Теплопарогенератор 6 имеет камеру подготовки горючей смеси 12, вихревую камеру сгорания 13 с рубашкой 10, сопло 14, камеру смешения 15 с рубашкой 16 газожидкостного теплообменника, теплоноситель (вода) в который подается насосом 17, включенным в контур теплообмена 18 с теплообменниками 19 (потребители). Рубашки 10 и 16 теплообменника могут быть связаны между собой трубопроводом с вентилем 20. За минимальным сечением сопла 14 установлены сопла 21 для подачи эжектирующего рабочего тела (перегретой воды или пара) из рубашки 10 газожидкостного теплообменника в камеру смешения 15. Через насадок 22 смесевой теплоноситель Т1 поступает к потребителю. Часть теплоносителя из теплообменника 17 через сопла 23 может поступать в камеру смешения в направлении к выходу. Конденсированная часть смесевого теплоносителя Т2 по магистрали 24 от потребителя возвращается в магистраль подпитки перед насосом 11. На огневом днище 25 соосно вихревой камере сгорания установлено сопло газового эжектора 26 через ресивер 27, сообщенное с выхлопным патрубком 28 ДВС 1. В магистралях подачи топлива к ДВС 1 и теплопарогенератору 6 установлены регулирующе-отсечные клапаны 29 и 30. Потребитель 31 теплоносителя Т1 может получать его как с нерастворенными газовыми включениями (CO₂, N₂), так и после отделения газовых включений и сброса их через клапан 32.

Автономный источник электрической и тепловой энергии работает следующим образом.

Контуры теплообменников предварительно заполнены циркулирующими теплоносителями.

Топливо (метан) по магистрали подачи 4 через регулирующее-отсечной клапан 29 поступает в систему топливопитания ДВС 1. Запуск двигателя 1 осуществляется с помощью стартового электродвигателя или бензинового пускового двигателя (не показаны). После выхода ДВС 1 на номинальный режим работы генератор электрической энергии 3 через муфту 2 подключается к валу двигателя и начинает вырабатывать электрическую энергию, основная часть которой поступает к различным потребителям, а некоторое количество электроэнергии отбирается для привода насосов 8, 11 и 17.

В жидкостном контуре охлаждения 7 с помощью насоса 8 циркулирует теплоноситель, который снимает тепло с работающего ДВС 1 и в промежуточном теплообменнике 9 отдает его поступающей через насос 11 воде подпитки, поступающей по магистрали 24 и, в случае необходимости, из внешнего источника. Из теплообменника 9 подогретая вода поступает в рубашку 10 газожидкостного теплообменника, окружающую вихревую камеру сгорания 13 и сопло 14 теплопарогенератора 6.

Теплопарогенератор 6 может потреблять то же топливо, что и ДВС 1. Поэтому из магистрали подачи 4 отходит вторая магистраль 5, по которой метан через регулирующее-отсечной клапан 30 поступает в камеру подготовки горючей смеси 12, и далее в виде смеси с воздухом, поступающим из окружающей атмосферы или нагнетающего вентилятора, – в вихревую камеру сгорания 13. В эту же камеру 13 через выхлопной патрубок 28, ресивер 27 и сопло газового эжектора 26 поступают продукты сгорания ДВС 1. Имея на выходе температуру порядка 600°С, эти газы поджигают газовоздушную смесь в вихревой камере сгорания 13 (для других видов топлива может быть установлена свеча зажигания). Продукты сгорания ДВС 1, поступая через сопло газового эжектора 26, создают благоприятные условия для работы вихревой камеры сгорания 13 и камеры подготовки горючей смеси 12, обеспечивая подсос низконапорной смеси из камеры 12, что при большинстве условий эксплуатации исключает применение вентиляторов и компрессоров для подачи воздуха и получения горючей смеси для организации процесса горения.

Продукты сгорания, образующиеся в вихревой камере сгорания 13, эжектируются продуктами сгорания ДВС 1, поступающими через сопло 26, и отводятся через сопло 14 в камеру смешения 15 вместе с эжектирующим рабочим телом (выхлопными газами ДВС).

Часть перегретой воды (или пара), полученной в рубашке 10, через сопла 21 поступает в камеру смешения 15, создавая эжектирующий поток для смеси выхлопных газов ДВС и продуктов сгорания из вихревой камеры сгорания 13. Другая часть перегретой воды или пара из рубашки 10 может отводиться потребителю. Еще одна часть перегретой воды может поступать через вентиль 20 в контур теплообмена 18 с насосом 17 и рубашкой 16. В этом же контуре находятся потребители тепловой энергии – теплообменники 19. Часть нагретой воды из рубашки 16 через сопла 23 в виде эжектирующего потока поступает в камеру смешения, завершая процесс получения смесевого теплоносителя T1 требуемыми потребителю характеристиками, отводимого через насадок 22 потребителям 31. Смесевой теплоноситель состоит из воды, паров воды и нерастворенных газов. На пути к потребителю 31 он может быть освобожден от нерастворенных газов, например, в вихревом сепараторе (не показан), а газы выведены через клапан 32 в окружающую среду.

Конденсированный теплоноситель Т2 (вода) по магистрали 24 поступает на вход насоса 11.

Так как в продуктах сгорания ДВС 1 и вихревой камеры сгорания 13 достаточно много воды, то после конденсации и отдачи тепла потребителям она поступает в магистраль подпитки, в большинстве случаев эксплуатации исключая потребление воды подпитки из внешних источников. Сообщение рабочих полостей цилиндров ДВС 1 через выхлопной патрубок 28 с вихревой камерой сгорания 13, в осевой зоне которой создается пониженное давление, поддерживаемое, кроме того, эжектирующими соплами 21 и 23, обеспечивает принудительное опорожнение рабочих полостей цилиндров ДВС от продуктов сгорания, что повышает КПД ДВС.

С помощью регулирующее-отсечного клапана 30 можно устанавливать необходимый в данный момент уровень потребления топлива и, следовательно, уровень выработки тепловой энергии.

Регулированием расхода воды с помощью насосов и вентилей (в частности, вентиля 20) можно получать требуемый потребителю уровень температур теплоносителей.

Заявляемое устройство без останова и переналадки позволяет потребителю получать одновременно или раздельно те или иные ресурсы, которые необходимы ему в данный момент времени (электричество, горячая вода, пар, горячая вода для отопления, смесевой теплоноситель).

Модульное исполнение устройства позволит отдельно эксплуатировать ДВС 1 с генератором электрической энергии 3 и теплопарогенератор 6. В частности, теплопарогенератор можно использовать для дезинфекции емкостей и помещений, очистки железнодорожных путей и дорог и в качестве источника горячей воды и теплоносителя.

Формула изобретения

1. Автономный источник электрической и тепловой энергии, состоящий из двигателя внутреннего сгорания с магистралью подачи топлива и жидкостным контуром охлаждения с теплообменником, выходного патрубка с газожидкостным теплообменником, генератора электрической энергии и рамы, отличающийся тем, что газожидкостный теплообменник выполнен в виде теплопарогенератора с камерой сгорания и газовым эжектором, сопло которого сообщено с выхлопным патрубком двигателя внутреннего сгорания, а жидкостные контуры газожидкостного теплообменника подключены к потребителю или промежуточному теплообменнику.

2. Автономный источник электрической и тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что магистраль подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания сообщена с магистралью подачи топлива в теплопарогенератор.

3. Автономный источник электрической и тепловой энергии по п.2, отличающийся тем, что в магистралях подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания и теплопарогенератор установлены регулирующе-отсечные клапаны.

4. Автономный источник электрической и тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что жидкостный контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания через промежуточный теплообменник сообщен с жидкостным контуром теплообменника теплопарогенератора.

5. Автономный источник электрической и тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что полость перед соплом газового эжектора является ресивером.

6. Автономный источник электрической и тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что сопло газового эжектора является воспламенителем.

РИСУНКИ