Владельцы патента RU 2300654:
Изобретение относится к области автономной энергетики и когенерационных установок с двигателями Стирлинга, предназначено для одновременного производства электроэнергии и тепла. Достигаемый технический результат — обеспечение возможности работы установки на различных видах местного топлива (древесины, торфа, горючих сланцев и т.д.), повышение ресурса работы двигателя и упрощение конструкции системы передачи теплоты от двигателя к внешним потребителям. Когенерационная установка включает в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов. Установка дополнительно снабжена газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, магистралью частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга, насосом в системе внешнего теплоснабжения, обеспечивающим движение теплоносителя последовательно через теплообменник предварительного подогрева и теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов. В качестве местного топлива может применяться древесина, торф и горючие сланцы. 1 ил.
Изобретение относится к области автономной энергетики и когенерационных установок с двигателями Стирлинга, предназначено для одновременного производства электроэнергии и тепла.
Известны принцип работы и устройство двигателя Стирлинга, включающее в себя камеру сгорания, топливную форсунку, нагреватель, горячую полость, регенератор, вытеснитель, рабочий поршень, холодильник, холодную полость, цилиндр и привод (Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Изд. "Мир", 1986, стр.55).
Известно устройство газогенераторов для производства генераторного газа из местного топлива (древесины, торфа, сланцев и т.д.) и его применение в двигателях внутреннего сгорания, в отопительных печах, в паровых котельных и т.д. (Тагеев Д.Л. Использование местного топлива. Ленинград, 1940, стр.14-21). Однако не известно применение генераторного газа в двигателях с внешним подводом теплоты — в двигателях Стирлинга.
Известно устройство современной газогенераторной установки, при работе которой получаемый генераторный газ содержит до 27% Н2, с низшей теплотой сгорания до 5 МДж/м 3 (Леонтьев А.К., Понорков Н.В., Смоляков А.Ф. Получение и использование газообразного топлива из древесных отходов. Обзор, инфрм. — М.: ВНИПИЭИлеспром, вып.27, 1986. — 24 с.)
Известно устройство комбинированной Стирлинг-установки для одновременного производства электроэнергии и тепла, включающей в себя двигатель Стирлинга с генератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов (Патент РФ №2196243, Бюл. №1, 10.01.2003). Однако устройство данной когенерационной установки не приспособлено к работе на местном топливе, имеет сложное конструктивное исполнение, связанное с использованием пара.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в возможности работы установки на различных видах местного топлива, повышении ресурса работы двигателя и упрощении конструкции системы передачи теплоты от двигателя к внешним потребителям.
Для достижения этого технического результата когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов, снабжена газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, магистралью частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга, насосом в системе внешнего теплоснабжения, обеспечивающим движение теплоносителя последовательно через теплообменник подогрева и теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов, при этом в качестве местного топлива может применяться древесина, торф и горючие сланцы.
Введение в состав когенерационной установки с двигателем Стирлинга на местном топливе газогенератора, обеспечивающим производство генераторного газа и магистрали частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования для работы Стирлинга различных видов местного топлива, увеличения долговечности работы камеры сгорания и нагревателя двигателя Стирлинга за счет снижения температуры горения генераторного газа вследствие подвода в камеру сгорания отработанных газов.
На чертеже изображена когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе.
Когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе включает в себя двигатель Стирлинга 1 с электрогенератором 2 на одном валу, систему охлаждения 3 двигателя Стирлинга 1, имеющую в своем составе насос 4 и теплообменник-охладитель 5, через который проходит магистраль подачи воздуха 6, систему 7 внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов 8, насосом 9, потребителем тепла 10 и теплообменником предварительного подогрева 11, через который система внешнего теплоснабжения 7 связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга 3, магистраль отработанных газов 12, газогенератор 13, обеспечивающий производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистраль генераторного газа 14, соединяющего газогенератор 13 с камерой сгорания 15 двигателя Стирлинга 1 и магистраль частичного возврата отработанных газов 16 с регулирующим клапаном 17. Система охлаждения двигателя 3 проходит через холодильник двигателя Стирлинга 18.
Когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе работает следующим образом.
При работе двигатель Стирлинга 1 производит полезную энергию, преобразуемую в электрическую энергию с помощью электрогенератора 2, расположенного на одном валу с двигателем 1. Для охлаждения двигателя 1 в холодильник 18 из системы охлаждения 3 подается охлаждающая жидкость. Охладив двигатель 1, нагретая охлаждающая жидкость из холодильника 18 с помощью насоса 4 поступает в теплообменник подогрева 11, где передает часть теплоты теплоносителю системы внешнего теплоснабжения 7. Затем охлаждающая жидкость поступает в теплообменник-охладитель 5, где охлаждается до температуры окружающей среды за счет теплообмена с воздухом, поступающим по магистрали подачи воздуха 6, и возвращается в холодильник 18.
Для обеспечения работы двигателя Стирлинга 1 из газогенератора 13, где происходит газификация твердого местного топлива (древесины, торфа, отходов сельского хозяйства и т.д.), по магистрали 14 подается в камеру сгорания 15 генераторный газ. Для его горения по магистрали 6 подается предварительно подогретый воздух. Отработанные газы из камеры сгорания 15 по магистрали 12 подаются в теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов 8, где передают свою теплоту теплоносителю системы внешнего теплоснабжения 7. Из теплообменника-утилизатора теплоты отработанных газов 8 горячий теплоноситель поступает к потребителю теплоты 10, где отдает тепло, а затем поступает в теплообменник предварительного подогрева 11, где частично нагревается от охлаждающей жидкости системы охлаждения 3 двигателя Стирлинга 1. Циркуляция теплоносителя в систем внешнего теплоснабжения 7 осуществляется с помощью насоса 9.
Для повышения ресурса двигателя Стирлинга 1 и увеличения долговечности работы камеры сгорания 15, часть отработанных газов по магистрали 16 возвращают в камеру сгорания 15, что обеспечивает снижение температуры горения смеси генераторного газа и воздуха. Для регулирования подачи отработанных газов в камеру сгорания 15 на магистрали 16 установлен регулирующий клапан 17.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Изд. "Мир", 1986, стр.55.
2. Тагеев Д.Л. Использование местного топлива. Ленинград, 1940, стр.14-21.
3. Леонтьев А.К., Понорков Н.В., Смоляков А.Ф. Получение и использование газообразного топлива из древесных отходов. Обзор, инфрм. — М.: ВНИПИЭИлеспром, вып.27, 1986. — 24 с.
4. Патент РФ №2196243, Бюл. №1 от 10.01.2003 — прототип.
Когенерационная установка с двигателем Стирлинга на местном топливе, включающая в себя двигатель Стирлинга с электрогенератором на одном валу, систему охлаждения двигателя Стирлинга, имеющую в своем составе насос и теплообменник-охладитель, через который проходит магистраль подачи воздуха, систему внешнего теплоснабжения с теплообменником-утилизатором теплоты отработанных газов и теплообменником предварительного подогрева, через который система внешнего теплоснабжения связана с системой охлаждения двигателя Стирлинга, и магистраль отработанных газов, отличающаяся тем, что снабжена газогенератором, обеспечивающим производство генераторного газа из различных видов местного топлива, магистралью генераторного газа, соединяющей газогенератор с камерой сгорания двигателя Стирлинга, магистралью частичного возврата отработанных газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга, насосом в системе внешнего теплоснабжения, обеспечивающим движение теплоносителя последовательно через теплообменник предварительного подогрева и теплообменник-утилизатор теплоты отработанных газов, при этом в качестве местного топлива может применяться древесина, торф и горючие сланцы.
Типовой ряд зарубежных двигателей колеблется от 300 Вт до 100 кВт, при эффективном к.п.д. от 37 до 52% и моторесурсе от 30 до 50 тыс. часов.
В мировых обзорах по энергопреобразующей технике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель XXI века, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки.
Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом теплоты (ДВПТ), в котором теплота от сгорания топлива передается рабочему телу двигателя через теплообменную поверхность.
Стирлинг-когенерация – новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла, на основе двигателей Стирлинга, при которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей.
Эффективность применения двигателя Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с ДВС, обусловлена особенностью его теплового баланса. Потери теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду для двигателя Стирлинга составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки.
Когенерационная установка мощностью
Области применения когенерационных установок с двигателем Стирлинга
Нефтегазовый комплекс — вахтовые поселки
9,5 кВт электрической энергии и 30 кВт тепловой энергии
Преимущества использования когенерационных установок с двигателями Стирлинга на местном топливе в регионах РФ:
— Независимость от конъюнктуры рынка нефти и природного газа.
— Возможность загрузки местных предприятий на производство оборудования для заготовки и переработки местного топлива.
— Отсутствие необходимости создания хранилищ для запасов углеводородного топлива и его транспортировки.
— Отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов.
— Значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.
— Значительное сокращение расходов компаний нефтегазового комплекса на закупку привозного топлива за счет использования в качестве моторного топлива попутного нефтяного газа.
Экономическая эффективность использования когенерационных установок с двигателями Стирлинга
1. Стоимость 1 кВт/ч производимой электроэнергии с помощью когенерационной установки будет составлять от 30 до 50 коп., что в 2–3 раза дешевле существующих тарифов.
2. Примерно в 2 раза увеличивается ресурс преобразователя прямого цикла когенерационной установки, по сравнению с ДВС.
3. При сгорании топлива содержание СО в обработанных газах в 3 раза ниже и значительно ниже содержание NO и СH, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам.
4. Срок окупаемости когенерационных установок 2,5 года.
Тепловой баланс когенерационной установки с двигателем Стирлинга, мощностью 30 кВт, потребляющей в качестве топлива торф, древесную щепу, сланцы и другое местное топливо
Вариант энергоснабжения коттеджного городка с использованием
двигателей Стирлинга, работающих на генераторном газе из торфа
В настоящее время большинство индивидуальных потребителей получают различные виды энергии раздельно, то есть при использовании нагревательного котла потребители в лучшем случае получают энергоноситель для отопления и горячего водоснабжения; электрическая энергия поступает из центральных сетей; а хладоноситель получают с помощью специальных установок.
Использование двигателя Стирлинга совместно с котлом-утилизатором и абсорбционной установкой (рис. 1) позволяет получать все вышеперечисленные виды энергии, сжигая то же количество топлива, что и при сжигании топлива в котле для получения энергоносителя для отопления и горячего водоснабжения. Комбинированное получение «холода», тепловой и электрической энергии называется
тригенерацией.
Преимущества тригенерационных установок сравнительно с когенерационными (при работе которых, вырабатывается одновременно два вида энергии: тепловая и электрическая) следующие:
- высокая эффективность использования топлива;
- возможность получения холода;
- отсутствие надобности в работе системы принудительного охлаждения, на которую расходуется часть производимой электроэнергии;
- получение энергоносителя для системы кондиционирования;
- возможность выборочного использования:
— в зимних условиях электрической энергии и тепла;
— в летних условиях электрической энергии и холода;
- одновременное использование тепла, холода и электрической энергии, как для собственных нужд, так и для продажи;
- удовлетворительные экологические параметры;
- снижение себестоимости электроэнергии для конечных потребителей за счет сведения до минимума расходов на выработку и транспорт.
Использование абсорбционных холодильных установок (АХУ) в системах тригенерации обеспечивает:
1) минимальные расходы на техническое обслуживание, поскольку в них отсутствуют подвижные детали;
2) низкую себестоимость «холода» благодаря высокому коэффициенту полезного действия АХУ;
3) получение «тихого холода», АХУ работают бесшумно.
Принцип абсорбционного охлаждения заключается в следующем (см. рис. 1).
Концентрированный раствор постоянно нагревается в десорбере 37 до температуры кипения теплом уходящих выхлопных газов.
Рис. 1. Принципиальная схема использования двигателя Стирлинга в тригенерационном цикле:
1 — кожух шумоглушения; 2 — приточная вентиляция; 3 — вентилятор; 4 — вытяжная вентиляция; 5 — катализатор; 6 — глушитель шума выхлопа дымовых газов; 7 — теплообменник уходящих газов для горячего водоснабжения (ГВС); 8 — теплообменник уходящих газов для отопления; 9 — насосы системы отопления и ГВС; 10 — фильтры системы отопления и ГВС; 11 — запорные задвижки;
12 — предохранительный клапан; 13 — электрогенератор; 14 — приемник выхлопных газов;
15 — трубопровод подачи воздуха для сжигания топлива; 16 — воздушный фильтр;
17 — газовоздушная смесительная камера; 18 — регуляторы скорости вращения
и дроссель-клапаны; 19 — двигатель Стирлинга; 20 — камера сгорания топлива двигателя Стирлинга; 21 — лямбда — регулирующий клапан; 22 — электромагнитный клапан с регулятором нулевого давления; 23 — запорный электромагнитный клапан для автоматического прекращения подачи газа в системе автоматического управления газоиспользующими устройствами;
24 — отсечной электромагнитный клапан для прекращения подачи газа в системе управления газоиспользующими устройствами; 25 — газовый фильтр; 26 — теплообменник охлаждения абсорбционной машины (испаритель); 27 — отвод выхлопных газов из системы установки;
28 — слив конденсата; 29 — обратная линия ГВС; 30 — подающая линия ГВС; 31 — обратная линия системы отопления; 32 — подающая линия системы отопления; 33 — линия выработанного электрического тока; 34 — газопровод; 35 — котел-утилизатор; 36 — абсорбер; 37 — десорбер;
38 — конденсатор; 39 — охлаждаемый объект (холодильник); 40 — отработанные при сгорании газы; 41 — насос охлаждающей жидкости (термонасос); 42 — регулятор давления газа
Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору 38 концентрированные пары хладагента проходят десорбер 37, в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в концентрированный раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор 38.
Высококонцентрированный жидкий хладагент из конденсатора 38 поступает в испаритель 26, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры 39. Слабый раствор из холодильника 39 поступает в абсорбер 36 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя 26 пары хладагента также поступают в абсорбер 36 навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере 36 происходит процесс поглощения (абсорбция) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты от абсорбции в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом 41 передается в десорбер 37.
Благодаря исследованиям и инновациям производители абсорбционной холодильной машины (АХМ) достигли значительных успехов в технологии абсорбционного охлаждения. Коэффициент полезного действия АХМ в настоящее время составляет 0,31-0,33. При этом электрический коэффициент полезного действия двигателя Стирлинга типа гамма — 0,35-0,38, а тепловой — 0,28-0,36. И тогда суммарное получение энергии близко к единице.
Принцип работы двигателя Стирлинга типа гамма (рис. 2, а) заключается в постоянно чередующихся циклах нагрева и охлаждения газа в закрытом цилиндре. При нагреве воздух в цилиндре 7 расширяется и двигает рабочий поршень 6. Этот поршень 6 опускается, толкает шатун 13 и поворачивает маховик 12. Одновременно изменяется положение вытеснительного поршня 10, который перемещает из нагретой зоны в холодную. Воздух остывает и создает обратное усилие на рабочий поршень 6. Вытеснитель 10 затем перемещает воздух в рабочую зону, и весь цикл повторяется.
Рис. 2. Принцип работы
двигателя Стирлинга
а — принципиальная схема двигателя Стирлинга типа гамма;
б — общий вид двигателя Стирлинга типа гамма;
1 — ползун; 2 — шток; 3 — корпус;
4 — источник; 5 — теплоизолирующее наполнение; 6 — рабочий поршень;
7 — теплообменный цилиндр; 8 — оребрение; 9 — соединительная труба;
10 — вытеснительный поршень;
11 — рабочий цилиндр; 12 — маховик;
13 — шатуны; 14 — выходной вал
Механическая работа маховика 12, в свою очередь, передается на генератор 13 (см. рис. 1) и вырабатывается электрическая энергия 33 (см. рис. 1), идущая к потребителю.
Уходящие газы (далее по рис. 1), проходя через котел-утилизатор 35, нагревают энергоноситель для подачи горячего водоснабжения и отопления. Остывшие уходящие газы, проходя через катализатор 5, уходят в окружающую среду.
Преимущества выбора двигателя Стирлинга типа гамма, как основной энергетической установки, следующие:
1. Возможность использования любого источника тепла — как двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: в нашем случае он работает от сжигания любого вида топлива под теплообменным цилиндром 7.
2. Простота конструкции — конструкция двигателя Стирлинга типа гамма очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно.
3. Увеличенный ресурс — отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет двигателю Стирлингу типа гамма обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в несколько лет непрерывной работы.
4. Высокая теоретическая эффективность.
5. Большие возможности массового производства.
6. Внешнее сгорание обеспечивает крайне чистый выхлоп и дает возможность контролировать выходную электрическую мощность двигателя Стирлинга типа гамма уменьшением температуры горячей стороны, то есть имеется возможность управления производством электроэнергии без изменения параметров требуемого тепла.
Нами была изготовлена рабочая модель двигателя Стирлинга типа гамма (рис. 2, б), при исследовании которой мы смогли убедиться в использовании двигателей Стирлинга типа гамма в тригенерационном цикле. Также расчетным путем было доказано повышение коэффициента полезного действия при тригенерационном цикле и энергосбережение энергетических ресурсов, таких как топливо, электроэнергия и хладоноситель. Также данной установке не требуются посторонние энергоносители для ее обслуживания.
Рецензенты:
Филатов М.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург;
Асманкин Е.М., д.т.н., профессор кафедры «Мобильные и энергетические средства», декан технического факультета ФГОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет», г. Оренбург.
