RU223859U1 - Устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей - 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.

Description

Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использована дизельными проектными организациями, судами речного и морского транспорта.

Значительная часть тепловой энергии судовой энергетической установки (СЭУ) используется крайне неэффективно, зачастую просто рассеивается в окружающей среде.

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.

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.

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.

К внутреннему контуру системы охлаждения подключается испаритель органического цикла Ренкина, а контур цикла связан с паровой турбиной, на валу находится электрогенератор.

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.

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.

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.

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.

Заявляемая полезная модель решает задачу утилизации тепловой энергии отработавших газов судовых дизелей.

Техническим результатом при этом является получение дополнительной электрической энергии в результате прямого преобразования отработавшей тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Устройство для прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию судовых дизелей работает следующим образом.

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.

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.

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.

Источник информации

1. Патент № 92247, H01L 35/28. Судовой термоэлектрический генератор / В.Н. Тимофеев. Опубл. 10.03.2010 в БИ № 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.

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.

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.