RU223859U1 - Device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована дизельными проектными организациями, судами речного и морского транспорта. Технический результат достигается тем, что устройство дополнительно содержит теплообменник-посредник, установленный на выхлопном трубопроводе с возможностью теплообмена теплоносителя - термального масла с отработавшими газами, выход подключается к испарителю органического цикла Ренкина (ОЦР), где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР и через выход связан с паровой турбиной ОЦР, а затем низкокипящее вещество в конденсаторе превращается в жидкость. На выхлопном трубопроводе установлен теплообменник-посредник, теплоносителем которого является термическое масло. Это вызвано тем, что температура отработавших газов достигает 500°С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам и позволяет передать тепло низкокипящему веществу (НВ) не выше заданной температуры. Термомасло служит передаточным звеном, оставаясь жидкостью при высоких температурах, оно хорошо передает тепловую энергию. Температура термического масла на выходе из теплообменника находится в пределах 280-310°С. Термическое масло циркулирует по замкнутому контуру: в теплообменнике происходит теплообмен между отработавшими газами и термомаслом, далее нагретое масло поступает в испаритель, где в результате теплообмена термомасла с низкокипящим веществом происходит кипение НВ и повышение его давления и температуры, затем пары поступают в турбину с генератором, в результате расширения происходит выработка электрической энергии, а отработанное термомасло поступает в теплообменник, где в результате теплообмена происходит нагрев забортной воды. Нагретая забортная вода используется потребителем тепловой энергии, затем отработанная нагретая вода сливается за борт. Таким образом, предлагаемое устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей путем использования органического цикла Ренкина позволяет утилизировать тепловую энергию отработавших газов, при этом полученная электрическая энергия может быть использована судовыми потребителями для повышения эффективности судовой энергетической установки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. The utility model relates to the electric power industry and can be used by diesel design organizations, river and sea transport vessels. The technical result is achieved by the fact that the device additionally contains an intermediary heat exchanger installed on the exhaust pipeline with the possibility of heat exchange of the coolant - thermal oil with exhaust gases, the output is connected to the evaporator of the organic Rankine cycle (ORC), where heat exchange occurs between the thermal oil and the low-boiling substance ORC and through the outlet it is connected to the ORC steam turbine, and then the low-boiling substance in the condenser turns into liquid. An intermediary heat exchanger is installed on the exhaust pipeline, the coolant of which is thermal oil. This is caused by the exhaust gas temperature reaching 500°C. Thermal oil is more resistant to high temperatures and allows heat to be transferred to a low-boiling substance (LV) no higher than a given temperature. Thermal oil serves as a transfer link, remaining a liquid at high temperatures, it transfers thermal energy well. The temperature of thermal oil at the outlet of the heat exchanger is in the range of 280-310°C. Thermal oil circulates in a closed circuit: in the heat exchanger, heat exchange occurs between the exhaust gases and thermal oil, then the heated oil enters the evaporator, where, as a result of heat exchange between the thermal oil and the low-boiling substance, the NV boils and its pressure and temperature increase, then the vapor enters the turbine with the generator, as a result of expansion, electrical energy is generated, and the waste thermal oil enters the heat exchanger, where, as a result of heat exchange, the sea water is heated. The heated sea water is used by the thermal energy consumer, then the heated waste water is discharged overboard. Thus, the proposed device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines through the use of the organic Rankine cycle makes it possible to utilize the thermal energy of exhaust gases, while the resulting electrical energy can be used by ship consumers to increase the efficiency of the ship's power plant. 1 salary f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована дизельными проектными организациями, судами речного и морского транспорта.The utility model relates to the electric power industry and can be used by diesel design organizations, river and sea transport vessels.

Значительная часть тепловой энергии судовой энергетической установки (СЭУ) используется крайне неэффективно, зачастую просто рассеивается в окружающей среде.A significant part of the thermal energy of a ship's power plant (SPP) is used extremely inefficiently and is often simply dissipated in the environment.

Известен патент № 92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ № 7 [1]. Судовой термоэлектрический генератор, установленный на выхлопном трубопроводе позволяет утилизировать тепловую энергию отработавших газов, в результате чего происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. Однако термоэлектрический генератор утилизирует недостаточно отработавшую тепловую энергию отработавших газов судовых дизельных установок, низкий КПД термоэлектрического генератора.Known patent No. 92247, H01L 35/28. Marine thermoelectric generator / V.N. Timofeev. Publ. 03/10/2010 in BI No. 7 [1]. A marine thermoelectric generator installed on the exhaust pipeline allows the thermal energy of exhaust gases to be utilized, resulting in a direct conversion of thermal energy into electrical energy. However, the thermoelectric generator utilizes insufficiently spent thermal energy from the exhaust gases of marine diesel plants, and the low efficiency of the thermoelectric generator.

Известен также патент № 217073, Россия, МПК В63 Н 21/14. Устройство для преобразования тепловой энергии системы охлаждения главного судового дизеля в электрическую энергию/ Тимофеев В.Н., Салахов И. Р., Кутепова Л.М., Харисова Н.Р., Каюмова Г, Г, Гречко Н.В., Юнусова А. Р., Тимербулатова И.Р., Шарафутдинов А.Д. Опубл. 16.03.2023. Бюл. № 8 [2]. Полезная модель № 217073 относится к дизелестроению и может быть использована дизельными проектными организациями и судами речного и морского транспорта, находящимися в эксплуатации.Patent No. 217073, Russia, MPK V63 N 21/14 is also known. Device for converting thermal energy of the cooling system of the main marine diesel engine into electrical energy / Timofeev V.N., Salakhov I.R., Kutepova L.M., Kharisova N.R., Kayumova G., G., Grechko N.V., Yunusova A. R., Timerbulatova I. R., Sharafutdinov A. D. Publ. 03/16/2023. Bull. No. 8 [2]. Utility model No. 217073 relates to the diesel industry and can be used by diesel design organizations and river and sea transport vessels in operation.

Устройство для преобразования тепловой энергии системы охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания в электрическую энергию, содержит главный судовой дизель; систему охлаждения, состоящей из внутреннего контура с электрическим терморегулятором и элементами автоматики; внешнего контура; выхлопной трубопровод; пароперегреватель; абсорбционную холодильную машину, органический цикл Ренкина.A device for converting thermal energy of the cooling system of a marine internal combustion engine into electrical energy, contains the main marine diesel engine; a cooling system consisting of an internal circuit with an electric thermostat and automation elements; external contour; exhaust pipe; superheater; absorption refrigeration machine, organic Rankine cycle.

К внутреннему контуру системы охлаждения подключается испаритель органического цикла Ренкина, а контур цикла связан с паровой турбиной, на валу находится электрогенератор.An organic Rankine cycle evaporator is connected to the internal circuit of the cooling system, and the cycle circuit is connected to a steam turbine, and an electric generator is located on the shaft.

Кроме того, устройство содержит электрический трехходовой вентиль, который регулирует требуемую температуру забортной воды путем ее подключения к абсорбционной холодильной машине. В конденсаторе поддерживается разность температур 52°С между источником тепла – отработанным паром и теплоотводом – забортной водой.In addition, the device contains an electric three-way valve that regulates the required temperature of the sea water by connecting it to the absorption refrigeration machine. The condenser maintains a temperature difference of 52°C between the heat source - exhaust steam and the heat sink - sea water.

Система охлаждения содержит электрический терморегулятор и элементы автоматики. В условиях эксплуатации двигателя в системе охлаждения на частичных нагрузках поддерживается температура охлаждающей воды в пределах 95-98°С, а на номинальных – 85°С.The cooling system contains an electric thermostat and automation elements. Under engine operating conditions, the cooling system maintains a cooling water temperature of 95-98°C at partial loads, and 85°C at nominal loads.

Во время работы двигателя поток охлаждающей воды поступает в испаритель органического цикла Ренкина и в результате теплообмена охлаждающей воды с низкокипящим веществом происходит превращение его в пар. Далее пар проходит пароперегреватель и поступает в турбину, вращает электрогенератор, происходит выработка электрической энергии. Отработанный пар попадает в конденсатор, где охлаждается забортной водой и превращается в жидкость после чего насосом снова попадает в испаритель. Выработанная электроэнергия подается потребителю.During engine operation, a stream of cooling water enters the evaporator of the organic Rankine cycle and, as a result of heat exchange between the cooling water and the low-boiling substance, it is converted into steam. Next, the steam passes through the superheater and enters the turbine, which rotates the electric generator and generates electrical energy. The exhaust steam enters the condenser, where it is cooled by sea water and turns into liquid, after which it is pumped back into the evaporator. The generated electricity is supplied to the consumer.

Основным недостатком данного патента является то, что в испарителе ОРЦ происходит теплообмен между теплоносителем с температурой 98°С и низкокипящим веществом с температурой меньше 52°С, а в нашей заявке температура теплоносителя отработавших газов колеблется от 450°С и выше, поэтому теплообмен напрямую отработавших газов с низкокипящим веществом невозможен из - за высоких температур, так как в этом случае предлагаемая конструкция изделия может привести к пожару или возможен взрыв. The main disadvantage of this patent is that in the ORC evaporator there is heat exchange between a coolant with a temperature of 98°C and a low-boiling substance with a temperature of less than 52°C, and in our application the temperature of the exhaust gas coolant ranges from 450°C and above, so heat exchange directly gases with a low-boiling substance is impossible due to high temperatures, since in this case the proposed design of the product can lead to a fire or an explosion is possible.

Заявляемая полезная модель решает задачу утилизации тепловой энергии отработавших газов судовых дизелей.The claimed utility model solves the problem of recycling thermal energy from exhaust gases of marine diesel engines.

Техническим результатом при этом является получение дополнительной электрической энергии в результате прямого преобразования отработавшей тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию.The technical result is the production of additional electrical energy as a result of the direct conversion of waste thermal energy of exhaust gases into electrical energy.

Технический результат достигается тем, что устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей, содержащее главный судовой дизель, выхлопной трубопровод, тахогенераторный датчик, контроллер управления; органический цикл Ренкина (ОЦР), включающий в себя испаритель, турбину с генератором, конденсатор, циркуляционный насос, дополнительно содержит теплообменник-посредник, установленный на выхлопном трубопроводе с возможностью теплообмена теплоносителя - термального масла с отработавшими газами, выход подключен к испарителю ОЦР, где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР и через выход связан с паровой турбиной ОЦР. Кроме того, устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей дополнительно содержит теплообменник забортной воды, вход которого подключен к теплоносителю-термальному маслу, выход через потребитель тепловой энергии связан с каналом забортной воды.The technical result is achieved by the fact that a device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines, containing the main marine diesel engine, exhaust pipeline, tachogenerator sensor, control controller; organic Rankine cycle (ORC), which includes an evaporator, a turbine with a generator, a condenser, a circulation pump, additionally contains an intermediary heat exchanger installed on the exhaust pipeline with the possibility of heat exchange of the coolant - thermal oil with exhaust gases, the output is connected to the evaporator, where ORC occurs heat exchange between thermal oil and low-boiling ORC substance and through the outlet is connected to the ORS steam turbine. In addition, the device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines additionally contains a seawater heat exchanger, the input of which is connected to the coolant - thermal oil, the output through a thermal energy consumer is connected to the seawater channel.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для утилизации отработавших газов главного судового дизеля, которая содержит главный судовой дизель 1; теплообменник 2; испаритель 3, конденсатор 4, теплообменник 5; турбину 6, генератор 7; электрические насосы 8, 9; контроллер управления 10; потребитель электроэнергии 11; тахогенераторный датчик 12; трехходовой кран 13; выхлопной трубопровод 14; потребитель тепловой энергии 34; каналы термального масла 15, 16, 17, 18; каналы низкокипящего вещества 19, 20, 21, 22; каналы забортной воды 23, 24, 25, 26, 27, 28; каналы электрической энергии 29, 30, 31, 32; канал электрического сигнала 33.In fig. 1 shows a schematic diagram of a device for recycling exhaust gases of the main marine diesel engine, which contains the main marine diesel engine 1; heat exchanger 2; evaporator 3, condenser 4, heat exchanger 5; turbine 6, generator 7; electric pumps 8, 9; control controller 10; electricity consumer 11; tachogenerator sensor 12; three-way valve 13; exhaust pipe 14; thermal energy consumer 34; thermal oil channels 15, 16, 17, 18; channels of low-boiling substance 19, 20, 21, 22; sea water channels 23, 24, 25, 26, 27, 28; electrical energy channels 29, 30, 31, 32; electrical signal channel 33.

Термальное масло циркулирует по замкнутому контуру и включает теплообменник 2, канал 15, испаритель 3, канал 16, теплообменник 5, канал 17, электрический насос 9, канал 18.Thermal oil circulates in a closed circuit and includes heat exchanger 2, channel 15, evaporator 3, channel 16, heat exchanger 5, channel 17, electric pump 9, channel 18.

Замкнутый контур органического цикла Ренкина (ОЦР) заправляется низкокипящим веществом (НВ). При выборе НВ необходимо учитывать ряд, предъявляемых к ним требований: дешевизна; хорошие теплофизические свойства; не токсичность; отсутствие экологического воздействия на окружающую среду (озоновый слой, парниковый эффект); замерзание при достаточно низких отрицательных температурах, что важно для климатических условий северных регионов.The closed loop of the organic Rankine cycle (ORC) is charged with a low-boiling substance (LB). When choosing NVs, it is necessary to take into account a number of requirements for them: low cost; good thermophysical properties; non-toxic; lack of environmental impact on the environment (ozone layer, greenhouse effect); freezing at sufficiently low negative temperatures, which is important for the climatic conditions of the northern regions.

Органический цикл Ренкина включает в себя испаритель 3, канал 20, турбину 6 с генератором 7, канал 21, конденсатор 4, канал 22, электрический насос 8, канал 19. Рабочим телом в ОЦР является вещество, имеющее более низкую, чем у воды, температуру кипения. Благодаря этому, испарение рабочего тела происходит при относительно низкой температуре, что и позволяет утилизировать низкопотенциальную энергию.The organic Rankine cycle includes an evaporator 3, channel 20, a turbine 6 with a generator 7, channel 21, a condenser 4, channel 22, an electric pump 8, channel 19. The working fluid in ORC is a substance that has a temperature lower than that of water boiling. Due to this, the evaporation of the working fluid occurs at a relatively low temperature, which makes it possible to utilize low-potential energy.

На выхлопном трубопроводе 14 установлен теплообменник-посредник 2, теплоносителем которого является термическое масло. Это вызвано тем, что температура отработавших газов достигает 500°С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам и позволяет передать тепло низкокипящему веществу не выше заданной температуры. Термомасло служит передаточным звеном, оставаясь жидкостью при высоких температурах, оно хорошо передает тепловую энергию. Температура термического масла на выходе из теплообменника находится в пределах 280-310°С. Термическое масло циркулирует по замкнутому контуру: в теплообменнике 2 происходит теплообмен между отработавшими газами и термомаслом, далее нагретое масло по каналу 15 поступает в испаритель 3, где в результате теплообмена термомасла с низкокипящим веществом происходит кипение НВ и повышение его давления и температуры, затем по каналу 20 поступает в турбину 6, а отработанное термомасло по каналу 16 поступает в теплообменник 5, где в результате теплообмена нагревает забортную воду. Далее по каналу 17 через электрический насос 9 и канал 18 возвращается в теплообменник 2 и цикл повторяется.An intermediary heat exchanger 2 is installed on the exhaust pipeline 14, the coolant of which is thermal oil. This is caused by the exhaust gas temperature reaching 500°C. Thermal oil is more resistant to high temperatures and allows heat to be transferred to a low-boiling substance no higher than a given temperature. Thermal oil serves as a transfer link, remaining a liquid at high temperatures, it transfers thermal energy well. The temperature of thermal oil at the outlet of the heat exchanger is in the range of 280-310°C. Thermal oil circulates in a closed circuit: in heat exchanger 2, heat exchange occurs between the exhaust gases and thermal oil, then the heated oil through channel 15 enters the evaporator 3, where, as a result of heat exchange between the thermal oil and a low-boiling substance, the NV boils and its pressure and temperature increase, then through the channel 20 enters turbine 6, and the waste thermal oil through channel 16 enters heat exchanger 5, where, as a result of heat exchange, it heats the sea water. Next, through channel 17 through the electric pump 9 and channel 18 it returns to heat exchanger 2 and the cycle repeats.

Забортная вода (насос не показан) поступает по каналу 23 в трехходовой кран 13, который по каналу 26 направляет часть потока воды в теплообменник 5, а другая часть - по каналу 24 в конденсатор 4. После теплообмена в конденсаторе 4 между забортной водой и НВ забортная по каналам 25, 28 сливается за борт, а НВ превращается в жидкость и по каналу 28, насос 8 продолжает свой замкнутый рабочий цикл.Sea water (pump not shown) enters through channel 23 into three-way valve 13, which directs part of the water flow through channel 26 into heat exchanger 5, and the other part through channel 24 into condenser 4. After heat exchange in condenser 4 between sea water and NV, sea water through channels 25, 28 it drains overboard, and the NV turns into liquid and through channel 28, pump 8 continues its closed operating cycle.

В теплообменнике 5 происходит теплообмен между забортной водой и термомаслом, поступающим по каналу 16. Нагретая вода из теплообменника 5 по каналу 27 поступает в потребитель тепловой энергии 34, затем отработанная вода из потребителя тепловой энергии 34 по каналу 28 сливается за борт. In heat exchanger 5, heat exchange occurs between sea water and thermal oil entering through channel 16. Heated water from heat exchanger 5 through channel 27 enters the thermal energy consumer 34, then waste water from the thermal energy consumer 34 through channel 28 is discharged overboard.

Устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей работает следующим образом.A device for directly converting thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines operates as follows.

После пуска дизеля 1 предлагаемое устройство начинает работать, при этом тахогенераторный датчик 12 по каналу 33 подает сигнал в контроллер управления 10, куда по каналу 30 подается из потребителя 11 электроэнергия и запускаются электрические насосы 8, 9. Отработавшие газы дизеля 1 проходят по выхлопному трубопроводу 14 и происходит теплообмен между отработавшими газами и термальным маслом в теплообменнике 3. Нагретое масло по каналу 15 подается в испаритель 3, где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом, в результате чего происходит парообразование и повышение давления и температуры НВ.After starting the diesel engine 1, the proposed device begins to work, while the tachogenerator sensor 12 sends a signal via channel 33 to the control controller 10, where electricity is supplied from the consumer 11 via channel 30 and the electric pumps 8, 9 are started. The exhaust gases of the diesel engine 1 pass through the exhaust pipeline 14 and heat exchange occurs between the exhaust gases and thermal oil in heat exchanger 3. The heated oil is supplied through channel 15 to the evaporator 3, where heat exchange occurs between the thermal oil and the low-boiling substance, resulting in vaporization and an increase in the pressure and temperature of the HB.

Полученный пар из испарителя 3 по каналу 20 поступает в турбину 6, которая начинает работать, в том числе генератор 7 и происходит выработка электрической энергии. Полученная электроэнергия по каналу 29 подается в потребитель электроэнергии 11.The resulting steam from evaporator 3 through channel 20 enters turbine 6, which begins to operate, including generator 7, and electrical energy is generated. The received electricity is supplied through channel 29 to the electricity consumer 11.

Таким образом, устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей путем использования органического цикла Ренкина позволяет утилизировать отработавшие газы, при этом полученная электрическая энергия может быть использована судовыми потребителями для повышения эффективности судовой энергетической установки.Thus, a device for directly converting the thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines by using the organic Rankine cycle makes it possible to utilize exhaust gases, while the resulting electrical energy can be used by ship consumers to increase the efficiency of the ship's power plant.

Источник информацииA source of information

1. Патент № 92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ № 7.1. Patent No. 92247, H01L 35/28. Marine thermoelectric generator / V.N. Timofeev. Publ. 03/10/2010 in BI No. 7.

2. Патент № 217073 Россия, МПК В63 Н 21/14. Устройство для преобразования тепловой энергии системы охлаждения главного судового дизеля в электрическую энергию/Тимофеев В.Н., Салахов И. Р., Кутепова Л.М., Харисова Н.Р., Каюмова Г, Г, Гречко Н.В., Юнусова А. Р., Тимербулатова И.Р., Шарафутдинов А. Д. Опубл. 16032.2023. Бюл. № 8.2. Patent No. 217073 Russia, IPC V63 N 21/14. Device for converting thermal energy of the cooling system of the main marine diesel engine into electrical energy / Timofeev V.N., Salakhov I.R., Kutepova L.M., Kharisova N.R., Kayumova G., G., Grechko N.V., Yunusova A. R., Timerbulatova I. R., Sharafutdinov A. D. Publ. 16032.2023. Bull. No. 8.

Claims (2)

1. Устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей, содержащее главный судовой дизель, выхлопной трубопровод, тахогенераторный датчик, контроллер управления; органический цикл Ренкина (ОЦР), включающий в себя испаритель, турбину с генератором, конденсатор, циркуляционный насос, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит теплообменник-посредник, установленный на выхлопном трубопроводе с возможностью теплообмена теплоносителя - термального масла с отработавшими газами, выход теплообменника-посредника по термальному маслу подключен к испарителю ОЦР, где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР, выход испарителя ОЦР по низкокипящему веществу ОЦР связан с паровой турбиной ОЦР.1. A device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines, containing a main marine diesel engine, an exhaust pipeline, a tachogenerator sensor, and a control controller; organic Rankine cycle (ORC), which includes an evaporator, a turbine with a generator, a condenser, a circulation pump, characterized in that it additionally contains an intermediary heat exchanger installed on the exhaust pipeline with the possibility of heat exchange of the coolant - thermal oil with exhaust gases, the heat exchanger output - The thermal oil intermediary is connected to the ORC evaporator, where heat exchange occurs between the thermal oil and the low-boiling ORS substance; the ORS evaporator output for the ORS low-boiling substance is connected to the ORS steam turbine. 2. Устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит теплообменник, в котором происходит теплообмен между забортной водой и термальным маслом, вход которого подключен к испарителю ОЦР по теплоносителю - термальному маслу, выход через потребитель тепловой энергии связан с каналом забортной воды.2. A device for direct conversion of thermal energy of exhaust gases into electrical energy of marine diesel engines according to claim 1, characterized in that it additionally contains a heat exchanger in which heat exchange occurs between sea water and thermal oil, the input of which is connected to the ORC evaporator via a coolant - thermal oil, the outlet through the thermal energy consumer is connected to the sea water channel.