Устройство для комплексной утилизации тепловых выбросов внутреннего сгорания

Изобретение относится к устройствам для выработки электрической энергии и получения тепловой энергии за счет утилизации теплоты продуктов сгорания, воды первого контура, масла и сжатого воздуха. Устройство, состоящее из охладителя воды первого контура, охладителя воздуха, связанных соответственно водяным и воздушным трубопроводами, насосом и нагнетателем воздуха с дизель-генератором и конвективной ступени, при этом трубопровод теплоносителя с температурой замерзания -20...-30°С циркуляционно связан в теплоотдающем контуре через бак холодного теплоносителя, размещенного перед насосом холодного теплоносителя, с конденсационной ступенью, охладителями воздуха, воды первого контура, маслоохладителем и конвективной ступенью, а в тепловоспринимающем контуре с системой отопления и через подогреватель водопроводной воды с разомкнутой системой горячего водоснабжения, причем незамкнутый трубопровод выхлопных газов последовательно подключен к конвективной ступени, контактной камере с трубопроводом для отвода конденсата и конденсационной ступени конденсационного теплоутилизатора. Изобретение обеспечивает повышение тепловой эффективности двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для выработки электрической энергии и получения тепловой энергии за счет утилизации теплоты продуктов сгорания, воды первого контура, масла и сжатого воздуха.

В изобретении [1], принятом за аналог, с целью повышения коэффициента полезного действия, охладитель отработанных газов выполнен с нисходящим потоком газов и с возможностью их охлаждения до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров и установлен по ходу потока воздуха перед двигателем и генератором.

Подачу холодного воздуха следовало бы сначала выполнить на охлаждение генератора, а затем отправлять на подогрев за счет тепловых выбросов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) так, как в действительности никакого охлаждения генератора не происходит в виду того, что его омывает уже подогретый воздух. Другим недостатком является то, что при повышении температуры продуктов сгорания на участках конденсационных теплообменников прекратится конденсация водяных паров в выхлопных газах. Это приведет к снижению тепловой эффективности утилизации теплоты продуктов сгорания. Третий недостаток связан с тем, что воздушное охлаждение из-за малой теплоемкости воздуха приводит к большим расходам. В этом случае резко возрастет электрическая мощность на привод вентилятора (доля электрической мощности на собственные нужды) и снизится доля электрической мощности, которая идет внешнему потребителю.

Устройство для комплексной утилизации тепла ДВС [2] осуществляет охлаждение воды первого контура в водо-водяном теплообменнике промежуточному теплоносителю замкнутого контура, который затем дополнительно подогревается в первом газоводяном теплообменнике теплотой выхлопных газов двигателя до температуры 95°С и направляется к радиаторам отопления, расход через который регулируется запорным органом. Из радиатора промежуточный теплоноситель с температурой 70°С циркуляционным насосом подается во второй водо-водяной теплообменник, где он охлаждается до температуры порядка 50°С и затем снова поступает в первый водо-водяной теплообменник. Сырая вода сначала подогревается в газоводяном теплообменнике с 5 до 25°С, а затем во втором водо-водяном теплообменнике до 45°С. Температура продуктов сгорания на выходе из выхлопной трубы ниже температуры точки росы.

Охлаждение выхлопных газов связано с конденсацией из них водяных паров. Выхлопная труба расположена вертикально. Через некоторое время конденсат наполнит выхлопную трубу и двигатель заглохнет. Другой недостаток связан с тем, что нагрев сырой воды осуществляется в рамках тепловой схемы ДВС и на нужды горячего водоснабжения отводится дополнительная третья труба. Температура воды в обратной магистрали перед циркуляционным насосом лишь теоретически равна 70°С. Из-за потерь, которые присутствуют в тепловых сетях, эта температура существенно ниже, а поэтому нагреть до 45°С воду на нужды горячего водоснабжения не представляется возможным. Кроме того, представленное устройство не охватывает теплоту, которую отводят при охлаждении масла и охлаждении воздуха после турбонаддува.

Целью изобретения является повышение тепловой эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Указанная цель достигается тем, что трубопровод теплоносителя с температурой замерзания -20...-30°С циркуляционно связан в теплоотдающем контуре через бак холодного теплоносителя, размещенного перед насосом холодного теплоносителя, с конденсационной ступенью, охладителями воздуха, воды первого контура, маслоохладителем и конвективной ступенью, а в тепловоспринимающем контуре с системой отопления и через подогреватель водопроводной воды с разомкнутой системой горячего водоснабжения, причем незамкнутый трубопровод выхлопных газов последовательно подключен к конвективной ступени, контактной камере с трубопроводом для отвода конденсата и конденсационной ступени конденсационного теплоутилизатора.

Схема устройства для комплексной утилизации тепловых выбросов ДВС включает: 1 - генератор; 2 - дизель; 3 и 4 - конденсационная и конвективная ступень; 5, 11 - насосы; 6 - маслоохладитель; 7 - масляный насос; 8 - насос воды первого контура; 9 - охладитель воды первого контура; 10 - бак-аккумулятор; 12 - нагнетатель воздуха; 13 - охладитель воздуха; 14 - бак охлажденного теплоносителя; 15 - маслопровод; 16 и 17 - обратный и прямой трубопровод; 18 - контактная камера; 19 - трубопровод отвода конденсата; 20 - конденсационный теплоутилизатор; 21 - подогреватель воды горячего водоснабжения; 22 - система отопления; 23 - трубопровод воды первого контура.

Дизель 2 совместно с генератором 1 являются стационарной постоянно действующей энергетической установкой. В ее состав входят: система охлаждения воды первого контура 9, система охлаждения масла 6, являющейся частью системы смазки, система охлаждения нагнетателя воздуха 13 и конденсационный теплоутилизатор 20. Этими системами в виде теплоты отводится примерно 50-60% от подводимой энергии.

Наибольшая часть приходится на тепловые выбросы с продуктами сгорания. Они с помощью конденсационного теплоутилизатора 20 охлаждаются до 20°С. Он состоит из конвективной 4 и конденсационной 3 ступени и размещенной между ними контактной камерой 18.

В конвективной ступени теплота продуктов сгорания передается конвекцией теплоносителю, которым в данном случае является вода. Считается, что продукты сгорания в своем составе не имеют сажи, масла и остатков топлива. Это достигается при добавлении к топливу антинагарной присадки, например "Экальва". Тепловой расчет позволяет определить конструкцию ступени.

Особенностью конденсационной ступени заключается в том, что наряду с конвекцией здесь происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. В состав продуктов сгорания конденсационной ступени входят азот, кислород, углекислый газ, водяной пар и капельки конденсата. Движение потока осуществляется снизу вверх, а конденсат под действием силы тяжести падает вниз. Диффузионный поток массы направлен из газового потока к внутренней стенке трубы. Он по всей длине теплообменного элемента изменяет количество водяных паров и, как следствие, переменными становятся удельные объемы, теплофизические свойства газового потока для i-го сечения. Это влечет за собой значительное усложнение математической модели теплового расчета конденсационной ступени.

Контактная камера (устройство не рассматривается) предназначена для того, чтобы при изменении нагрузки двигателя в конденсационной ступени имели место оба вида тепломассоообмена. В этом случае обобщенный коэффициент тепломассоотдачи по величине на порядок больше, чем только один конвективный коэффициент теплоотдачи. Обобщенный коэффициент тепломассоотдачи определяется по следующей формуле

где α_Гi - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·K); - скрытая теплота парообразования водяных паров, Дж/кг; β_Гi - коэффициент массоотдачи, определяемый на поле парциальных давлений, м/с; P_Гi, P_Wi - парциальное давление водяных паров при температуре мокрого термометра смеси газов и температуре стенки, мм рт.ст.

Коэффициент массоотдачи β_Pi, определяемый по формуле

связан через коэффициент массоотдачи на поле парциальных концентраций β_Ci с Нуссельтом диффузионным выражением

Нуссельт диффузионный определяется из следующего скорректированного критериального уравнения

где C₂ - опытный коэффициент; - число Рейнольдса; - число Прандтля диффузионного; - параметр, учитывающий влияние поперечного потока вещества на поле парциальных давлений пара; Р_ni, Р_Wi, Р_0i - парциальные давления водяных паров над каплей при температуре мокрого термометра в потоке, на стенке оребренной трубы при температуре стенки и смеси при температуре сухого термометра, мм рт.ст.; - объемная доля инертного газа в смеси; Р_in - парциальное давление инертной составляющей смеси, мм рт.ст.; - симплекс, учитывающий влияние переноса тепла паром на поле температур; - симплекс, учитывающий влияние отношения газовых постоянных водяного пара и смеси на поле парциальных давлений; d_ЭКВ, S, h - геометрические параметры оребренной трубы, м.

Подбор маслоохладителя 6, охладителя воды первого контура 9, охладителя воздуха 13, подогревателя воды горячего водоснабжения 21 осуществляется в результате их тепловых расчетов.

В качестве низкотемпературного теплоносителя, температура замерзания которого составляет в диапазоне -20...-30°С, можно использовать водные растворы хлористого кальция или этиленгликоля, концентрации которых соответственно составляют 26 и 44%.

Предлагаемое устройство для комплексной утилизации тепловых выбросов двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. Охлажденный теплоноситель по обратному трубопроводу 16 с температурой примерно не ниже 0°С сливается в бак охлажденного теплоносителя 14 и насосом 5 последовательно прокачивается для нагрева в конденсационной ступени 3, охладителе нагнетателя воздуха 13, маслоохладителе 6, охладителе воды первого контура 9 и конвективной ступени 4. Подогретый до 95°С теплоноситель сливается в бак-аккумулятор 10 и насос 11 направляет его по прямому трубопроводу 17 в систему отопления 22 и для подогрева воды в теплообменнике 21, которая поступает в систему горячего водоснабжения. При этом теплоноситель может охлаждаться до температуры, близкой к 0°С, и по обратному трубопроводу поступать вновь в устройство. Тепловые потери в окружающую среду через тепловую изоляцию обратного трубопровода 17 резко снизятся, так как разность температур между окружающей средой и теплоносителем в рассматриваемом и нормативном вариантах отличаются в 4...5 раз. Бак-аккумулятор 10 и бак охлажденного теплоносителя 14 предназначены для сглаживания неравномерности теплопотребления.

Выхлопные газы сначала передают конвекцией теплоту теплоносителю и охлаждаются примерно до 100°С. В контактной камере 18 они дополнительно насыщаются водяными парами, которые образуются в результате испарения части капелек конденсата в слое колец Рашига (не показано), выпадающего из размещенной выше конденсационной ступени 3. Продукты сгорания с увеличенным абсолютным влагосодержанием водяных паров поступают в конденсационную ступень 3, а оставшийся конденсат удаляется из контактной камеры по трубопроводу 19.

Отходящие газы на выходе из конденсационной ступени 3 охлаждаются примерно до температуры 20°С. Абсолютная влажность продуктов сгорания при этом существенно ниже, чем абсолютная влажность после ДВС. Изменение фазового состояния водяных паров резко интенсифицирует процесс теплообмена между двухфазным многокомпонентным газовым потоком и стенкой теплообменного элемента (не показан) конденсационной ступени 3.

После конденсационной ступени 3 продукты сгорания удаляются в атмосферу.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:

1. Повышается тепловая эффективность ДВС на 50...60%.

2. Снижаются тепловые потери в тепловых сетях в 4...5 раз.

3. Интенсифицируется теплоотдача в конденсационной ступени примерно в 10 раз.

4. Отсутствует трубопровод горячей воды между ДВС и теплопотребителем.

Источники информации

1. Авторское свидетельство № 1575948. Система принудительной подачи и нагрева воздуха.

2. Авторское свидетельство № 1687834. Устройство для комплексной утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания.

Устройство для комплексной утилизации тепловых выбросов двигателя внутреннего сгорания, состоящее из охладителя воды первого контура, охладителя воздуха, связанных соответственно водяным и воздушным трубопроводами, насосом и нагнетателем воздуха с дизель-генератором и конвективной ступени, отличающееся тем, что трубопровод теплоносителя с температурой замерзания -20...-30°С циркуляционно связан в теплоотдающем контуре через бак холодного теплоносителя, размещенного перед насосом холодного теплоносителя, с конденсационной ступенью, охладителями воздуха, воды первого контура, маслоохладителем и конвективной ступенью, а в тепловоспринимающем контуре с системой отопления и через подогреватель водопроводной воды с разомкнутой системой горячего водоснабжения, причем незамкнутый трубопровод выхлопных газов последовательно подключен к конвективной ступени, контактной камере с трубопроводом для отвода конденсата и конденсационной ступени конденсационного теплоутилизатора.