Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения



Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения
Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения
Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения

 


Владельцы патента RU 2413858:

Открытое акционерное общество "Завод им. В.А. Дегтярева" (RU)

Изобретение относится к автономным устройствам для получения тепловой и электрической энергии. Система включает двигатель внутреннего сгорания 2, вихревой теплогенератор 3 роторного типа, теплообменник-теплоутилизатор 6, связанный с системой 9 отвода выхлопных газов двигателя 2. Между входным каналом 10 для подвода жидкости в теплогенератор 3 и входным вентилем 11 установлен теплообменник-теплоутилизатор 12 вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя 2 линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости. Линии 13 и 14 перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором 12 соединены перепускным каналом 15 с вентилем 16. Линия подачи 13 после перепускного канала 15 оснащена вентилем 17. Теплообменник-теплоутилизатор 12 системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин 18, жестко закрепленных на трубопроводе 19, связанном с линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза 20 отверстия 21 треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара 22, герметично охватывающего этот участок трубопровода 19. Отверстия треугольного сечения 21 в пластинах 18 расположены в одной плоскости. Входной патрубок 23 сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар 22 расположен в его верхней части и выполнен в виде сопла, а выходной патрубок 24 - в нижней части, и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально. Технический результат - повышение эффективности. 3 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к автономным устройствам для получения тепловой и электрической энергии, и может быть использовано для повышения степени использования энергетических возможностей двигателей внутреннего сгорания данных устройств.

Известна мобильная тепловая станция (см. патент RU 2333435, опубл. 10.09.08 г., Бюл. №25), принятый за прототип. Мобильная тепловая станция содержит привод в виде электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, теплогенератор, состоящий из статора, имеющего цилиндрическую полость, в которой установлен ротор входного и выходного канала для подвода/отвода жидкости. Жидкостная система охлаждения (при наличии) электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания связана с теплообменником, размещенным в резервуаре, вход которого соединен с обратным трубопроводом системы теплопотребления, а выход через нагнетательный насос связан с входным каналом для подвода жидкости теплогенератора, система отвода выхлопных газов соединена через теплообменник, размещенный в этом же резервуаре, через нейтрализатор с атмосферой. Мобильная тепловая станция может быть установлена в контейнере или на платформе транспортировки. Количество выработанной тепловой энергии регулируется изменением числа оборотов привода.

Недостатком прототипа является недостаточная степень теплоутилизации безвозвратно теряемой тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания, рассеиваемой в системе охлаждения.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении теплопроизводительности, удешевлении затрат на топливо.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности автономного источника тепловой энергии за счет теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя и сохранения работоспособности при любых эксплуатационных режимах.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения, состоящей из привода в виде двигателя внутреннего сгорания, теплогенератора роторного типа с входным и выходным каналами для подвода/отвода жидкости, теплообменника-теплоутилизатора выхлопных газов, новым является то, что перед входным каналом для подвода жидкости в теплогенератор дополнительно установлен теплообменник-теплоутилизатор тепловой энергии вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, линии подачи и возврата перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором соединены перепускным каналом, оснащенным вентилем, линия подачи после перепускного канала оснащена вентилем, теплообменник-теплоутилизатор системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин, жестко закрепленных на трубопроводе, связанном с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза отверстия треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара, герметично охватывающего этот участок трубопровода, отверстия треугольного сечения в пластинах расположены в одной плоскости, входной патрубок сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар выполнен в виде сопла и расположен в его верхней части, а выходной - в нижней части и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему.

Установка перед входным каналом для подвода жидкости в теплогенератор дополнительного теплообменника-теплоутилизатора тепловой энергии, связанного с системой охлаждения двигателя линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, позволяет:

- во-первых, при КПД двигателей внутреннего сгорания 30-40% утилизировать в полезную тепловую энергию значительную часть тепловой энергии безвозвратно теряемой при охлаждении двигателя, которая составляет 35-40% от общей энергии двигателя;

- во-вторых, передавать тепловую энергию охлаждающей жидкости теплоносителю отопительного контура после ее прохождения по системе теплоотбора и понижении ее температуры;

- в-третьих, максимально исключив безвозвратные тепловые потери, рассеиваемые в системе отвода выхлопных газов и системе охлаждения, в целом повысить тепловую эффективность автономного источника тепловой энергии.

Соединение линии подачи и возврата перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором перепускным каналом, оснащенным вентилем, и оснащение линии подачи после перепускного канала вентилем позволяет:

- во-первых, 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;

- во-вторых, за счет перераспределения потока циркулирующей охлаждающей жидкости обеспечить работу автономного источника энергообеспечения при различных эксплуатационных режимах.

Выполнение теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения в виде теплообменника вихревого типа позволяет:

- во-первых, обеспечить значительную площадь непосредственного контакта сетевого теплоносителя с высокотемпературными поверхностями, нагретыми жидкостью системы охлаждения, за счет вращательного движения сетевого теплоносителя;

- во-вторых, получить более высокий кпд по перераспределению утилизируемой тепловой энергии;

- в-третьих, снизить весовые и габаритные показатели теплообменника, что приводит к снижению капитальных затрат;

- в-четвертых, снизить за счет высокой степени турбулентности образование накипи и загрязнений;

- в-пятых, за счет низкого уровня накипи и загрязнений снизить значение термического сопротивления теплообменных поверхностей, гидравлическое сопротивление при прохождении сетевого теплоносителя в теплообменнике, перепад давления на входе/выходе;

- в-шестых, снизить затраты на профилактические мероприятия или замену теплообменного оборудования.

Выполнение теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения вихревого типа в виде выгнутых параллельных разрезных пластин, жестко закрепленных на трубопроводе, связанном с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза отверстия треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара, герметично охватывающего этот участок трубопровода, позволяет:

- во-первых, сформировать каналы для вращательно-поступательного перемещения сетевого теплоносителя внутри вертикального резервуара;

- во-вторых, в полной мере использовать действие центробежной силы на вращающийся теплоноситель;

- в-третьих, обеспечить эффективное смешение и теплообмен высокотемпературной составляющей потока, образующейся на поверхности трубопровода, связанного с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, и прилегающих областей пластин и межпластинного пространства с менее нагретыми периферийными слоями жидкости;

- в-четвертых, обеспечить дополнительный нагрев жидкости за счет разницы давлений в приосевой и периферийных зонах.

Расположение отверстий треугольного сечения в пластинах в одной плоскости позволяет:

- во-первых, обеспечить вращение потока в межпластинном пространстве на полный оборот (360°) и максимально использовать имеющиеся теплообменные поверхности;

- во-вторых, организовать межслойное тепловое взаимодействие поступающей и уходящей жидкости.

Расположение входного патрубка сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар в его верхней части и выполнение его в виде сопла, а выходного - в нижней части, и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему, позволяет:

- во-первых, придать первоначальное ускорение поступающему потоку;

- во-вторых, обеспечить за счет этого запас кинетической энергии, необходимый для вращательного перемещения жидкости по всей длине резервуара;

- в-третьих, на первоначальном этапе эффективно закрутить жидкость в цилиндрическом резервуаре;

- в-четвертых, за счет вертикального расположения резервуара использовать наряду с радиально направленной центробежной силой силу тяжести, направленную вертикально вниз;

- в-пятых, получить вращательно-поступательный поток жидкости, подверженный концентрически расходящемуся тепловому воздействию,

- в-шестых, отводить нагретый поток сетевого теплоносителя с наименьшими гидравлическими потерями.

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 системы теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения; на фиг.2 - схема теплообменника-теплоутилизатора системы охлаждения; на фиг.3 - развертка выгнутой пластины.

Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения состоит из подвижной платформы 1 (показана условно), на которой установлен двигатель внутреннего сгорания 2 и вихревой теплогенератор 3 роторного типа, валы которых связаны посредством муфты 4. Выходной канал 5 для отвода жидкости теплогенератора 3 через теплообменник-теплоутилизатор 6, расширительный резервуар 7 соединен с выходным вентилем 8. Теплообменник-теплоутилизатор 6 связан также с системой 9 отвода выхлопных газов двигателя 2. Между входным каналом 10 для подвода жидкости в теплогенератор 3 и входным вентилем 11 дополнительно установлен теплообменник-теплоутилизатор 12 тепловой энергии вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя 2 линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости. Линии подачи 13 и возврата 14 перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором 12 соединены перепускным каналом 15, оснащенным вентилем 16. Линия подачи 13 после перепускного канала 15 оснащена вентилем 17.

Теплообменник-теплоутилизатор 12 системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин 18, жестко закрепленных на трубопроводе 19, связанном с линиями подачи 13 и возврата 14 охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза 20 отверстия 21 треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара 22, герметично охватывающего этот участок трубопровода 19. Отверстия треугольного сечения 21 в пластинах 18 расположены в одной плоскости. Входной патрубок 23 сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар 22 расположен в его верхней части, а выходной патрубок 24 - в нижней части и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему. Входной патрубок 23 сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар 22 выполнен в виде сопла.

Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения функционирует следующим образом. После доставки автономного источника энергообеспечения и установки его на месте эксплуатации прямой и обратный трубопроводы системы теплопотребления или горячего водоснабжения (на чертежах не показаны) необходимо подключить соответственно к выходному вентилю 8 и входному вентилю 11. После заполнения системы теплопотребления, теплогенератора 3 жидкостью, необходимо запустить двигатель 2. Вращение с вала двигателя 2 передается через муфту 4 на вал теплогенератора 3. После запуска начинается процесс прокачивания теплоносителя через теплогенератор 3 и систему теплопотребления и выработка тепловой энергии. Через выходной канал 5 теплогенератора 3 нагретый теплоноситель попадает в теплообменник-теплоутилизатор 5, где происходит его нагрев высокотемпературными выхлопными газами системы 9 их отвода. Далее нагретый теплоноситель через выходной вентиль 8 попадает в систему теплопотребления. Температура его снижается. Через входной вентиль 11 остывший теплоноситель перемещается к дополнительному теплообменнику-теплоутилизатору 12 вихревого типа системы охлаждения двигателя 2. Циркуляция охлаждающей жидкости в теплообменнике-теплоутилизаторе 12 происходит по линиям подачи 13 и возврата 14. Для обеспечения перераспределения потока охлаждающей жидкости, протекающей через теплообменник 12, и достижения необходимого теплового баланса двигателя 2 служат вентили 16 и 17, что позволяет теплоутилизировать тепловую энергию охлаждающей жидкости при различных режимах теплоотдачи в системе теплопотребления. В теплообменнике-теплоутилизаторе 12 системы охлаждения вихревого типа теплоноситель в начале поступает во входной патрубок 23, выполненный в виде сопла и расположенный относительно цилиндрической поверхности резервуара 22 тангенциально или близко к нему. Здесь поток приобретает первоначальное ускорение и закручивается, через отверстия 21 треугольного сечения последовательно преодолевая расстояние до выходного отверстия 24. Вращающийся поток, подверженный действию центробежной силы и силы тяжести, вступает в активное тепловое взаимодействие с трубопроводом 19, разрезными пластинами 18. Причем происходит активный процесс как поверхностного теплообмена с вышеуказанных поверхностей, так и межслойное взаимодействие разнотемпературных потоков, подверженных к тому же концентрически расходящемуся тепловому воздействию от трубопровода 19, имеющего наибольшую температуру. Данное воздействие обусловлено наличием вращающихся областей жидкости с различным уровнем давления, что позволяет поддерживать теплообмен на высоком уровне. В результате теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения поток сетевого теплоносителя поступает во входной канал 10 теплогенератора 3 с повышенной температурой.

Таким образом, в предлагаемой системе теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения решена задача по достижению технического результата, заключающегося в повышении эффективности автономного источника тепловой энергии за счет теплоутилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя и сохранения работоспособности при любых эксплуатационных режимах.

Система теплоутилизации тепловой энергии двигателя внутреннего сгорания автономного источника энергообеспечения, состоящая из привода в виде двигателя внутреннего сгорания, теплогенератора роторного типа с входным и выходным каналами для подвода/отвода жидкости, теплообменника-теплоутилизатора выхлопных газов, отличающаяся тем, что перед входным каналом для подвода жидкости в теплогенератор дополнительно установлен теплообменник-теплоутилизатор тепловой энергии вихревого типа, связанный с системой охлаждения двигателя линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, линии подачи и возврата перед дополнительным теплообменником-теплоутилизатором соединены перепускным каналом, оснащенным вентилем, линия подачи после перепускного канала оснащена вентилем, теплообменник-теплоутилизатор системы охлаждения вихревого типа выполнен в виде выгнутых параллельных разрезных пластин, жестко закрепленных на трубопроводе, связанном с линиями подачи и возврата охлаждающей жидкости, с образованием по линии разреза отверстия треугольного сечения, помещенных внутри вертикального цилиндрического резервуара, герметично охватывающего этот участок трубопровода, отверстия треугольного сечения в пластинах расположены в одной плоскости, входной патрубок сетевого теплоносителя в цилиндрический резервуар выполнен в виде сопла и расположен в его верхней части, а выходной - в нижней части и расположение их относительно цилиндрической поверхности резервуара тангенциально или близко к нему.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к установкам для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к стационарным и транспортным двигателям внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к установкам для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к оборудованию, предназначенному для выработки и отпуска потребителям одновременно двух видов энергии (электрической и тепловой).

Изобретение относится к машиностроению, в частности к установкам для автономного электро- и теплоснабжения потребителей объектов, где отсутствуют возможности подачи тепловой и электрической энергии от внешней энергосистемы.

Изобретение относится к симбиозу двигателя внутреннего сгорания и паровой машины. .

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить топливную экономичность и мощность двигателя, снизить выбросы токсичных веществ в атмосферу и повысить устойчивость работы на всех режимах.

Изобретение относится к двигательной установке, в частности транспортного средства, с контуром охлаждения и отдельным контуром рекуперации тепла

Изобретение относится к области преобразования энергии и касается решения вопроса по комплексной утилизации тепловой энергии дизельного двигателя, работающего в связке с генератором электрической энергии в системе дизель-генераторной установки (ДГУ)

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, для промышленных транспортных средств, снабженных системой возврата тепла

Изобретение относится к теплоэнергетике

Изобретение относится к области энергетики

Изобретение относится к машиностроению, в частности к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания
Наверх