устройство для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Устройство для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее последовательно соединенные парогенератор, сепаратор пара с паровой и жидкостной полостями, паровую турбину, конденсатор пара, емкость сбора конденсата и циркуляционный насос, отличающееся тем, что жидкостная полость сепаратора пара снабжена измерительной емкостью с размещенным в ней датчиком уровня жидкости и сообщенной с емкостью сбора конденсата через калиброванное отверстие, циркуляционный насос снабжен обводным каналом с установленным в нем регулируемым дросселем, управляемым датчиком уровня жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению и может быть использовано в системах использования вторичной энергии ДВС.

Известна энергетическая установка, в которой теплота отработавших газов используется для обогрева помещений и получения механической энергии в дополнительном цикле (см. пат. США 5640842, МКИ⁶ F 02 С 1/00).

Недостатком такого устройства являются большие габариты, стационарность использования и сложность в применении на транспортных установках.

За прототип принимается устройство, содержащее последовательно соединенные парогенератор, сепаратор пара, паровую турбину, конденсатор пара, емкость сбора конденсата и циркуляционный насос (см. заявку Японии 58-40003, МКИ F 01 К 25/10).

Недостатком данного устройства является то, что на режимах неполных нагрузок имеет место нерациональный расход теплоты на подогрев всего рабочего тела, в том числе на подогрев той части рабочего тела, которая не преобразуется в пар в парогенераторе.

Другим недостатком устройства является то, что существует возможность попадания неиспаренной жидкой фазы в паровую турбину, приводящая к ухудшению качества процессов, протекающих в турбине, вызывает эрозионное разрушение лопаток и снижает срок службы турбины.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы устройства для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания путем оптимизации расхода рабочего тела через парогенератор и уменьшения потерь энергии на нерациональный подогрев неиспарившейся части рабочего тела.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит последовательно соединенные парогенератор, сепаратор пара с паровой и жидкостной полостями, паровую турбину, конденсатор пара, емкость сбора конденсата, циркуляционный насос и, согласно изобретению снабжено измерительной емкостью, подключенной к жидкостной полости сепаратора пара, с размещенным в ней датчиком уровня жидкости и сообщенной с емкостью сбора конденсата через калиброванное отверстие, а также регулируемым дросселем, размещенным в обводном канале циркуляционного насоса, управляемым датчиком уровня жидкости.

Реализация перечисленных выше решений позволяет определить расход неиспарившегося в парогенераторе рабочего тела через высоту столба жидкости, находящейся в измерительной емкости. Изменение расхода неиспарившегося в парогенераторе рабочего тела приведет к изменению высоты столба жидкости в измерительной емкости, регистрируемой датчиком уровня жидкости. В сочетании с регулируемым дросселем, размещенным в обводном канале циркуляционного насоса и управляемым от датчика уровня жидкости, все вышеперечисленные элементы позволяют определить расход неиспарившегося в парогенераторе рабочего тела и минимизировать его количество путем регулирования расхода рабочего тела через парогенератор. Все это в целом позволяет оптимизировать расход рабочего тела через парогенератор, тем самым снижая потери тепла на нерациональный подогрев рабочего тела, неиспарившегося в парогенераторе.

Следует отметить, что перечисленные выше признаки устройства обеспечивают реализацию заявляемого эффекта лишь в своей совокупности.

Дальнейшая сущность изобретения поясняется чертежом.

Устройство содержит ДВС 1 с выхлопным коллектором 2 и размещенным в нем парогенератором 3, который сообщается с сепаратором пара 4. Паровая турбина 5 подключена к паровой полости сепаратора пара 4, и через конденсатор пара 6 - к емкости сбора конденсата 7. В канале, соединяющем емкость сбора конденсата 7 и парогенератор 3, размещен циркуляционный насос 8. Жидкостная полость сепаратора пара 4 снабжена измерительной емкостью 9 с размещенным в ней датчиком уровня жидкости 10 и сообщающейся с емкостью сбора конденсата 7 через калиброванное отверстие 11. Обводной канал циркуляционного насоса 8 снабжен регулируемым дросселем 12, подключенным к датчику уровня жидкости 10.

Описанное выше устройство работает следующим образом.

Жидкое рабочее тело из емкости сбора конденсата 7 циркуляционным насосом 8 подается в парогенератор 3, где испаряется за счет тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания 1, поступающих в выхлопной коллектор 2. Из парогенератора парожидкостная смесь поступает в сепаратор пара 4, где происходит ее разделение на паровую и жидкую фазы. Пар направляется к паровой турбине 5, где, расширяясь, совершает механическую работу. Отработавший пар в конденсаторе пара 6 преобразуется в жидкость, которая отводится в емкость сбора конденсата 7. Одновременно жидкая фаза забирается из сепаратора пара 4 и поступает в измерительную емкость 9, и далее через калиброваное отверстие 11 - в емкость сбора кондесата 7. Высота столба жидкости в измерительной емкости 9 определяет расход неиспарившегося рабочего тела в парогенераторе 3, который в конечном счете регистрируется датчиком уровня жидкости 10. Сигнал датчика уровня жидкости 10 управляет регулируемым дросселем 12, посредством которого изменяется расход рабочего тела через парогенератор 3.

Например, при уменьшении нагрузки двигателя внутреннего сгорания 1 теплосодержание отработавших газов падает, что приводит к увеличению уровня неиспарившегося рабочего тела в измерительной емкости 9, фиксируемого датчиком уровня жидкости 10. По сигналу, вырабатываемому датчиком уровня жидкости 10, управляемый дроссель 12 увеличивает проходное сечение, вследствие чего уменьшается расход рабочего тела через парогенератор 3. Соответственно уменьшается уровень жидкости в измерительной емкости 9, выражающий количество рабочего тела, неиспарившегося в парогенераторе 3, регистрируемое датчиком уровня жидкости 10. При установке нового уровня жидкости регулируемый дроссель фиксирует свое положение, соответствующее новому режиму работы двигателя внутреннего сгорания.

Таким образом достигается регулирование количества рабочего тела, подаваемого в парогенератор, снижается непроизводительный расход тепловой энергии на подогрев рабочего тела, неиспарившегося в парогенераторе. Это позволяет повысить эффективность работы устройства и снизить нерациональный расход энергии.

К преимуществам предложенного технического решения по сравнению с прототипом следует отнести следующее:

- повышение эффективности установки за счет регулирования расхода рабочего тела в зависимости от режима работы ДВС;

- высокую надежность и простоту благодаря отсутствию сложных по конструкции элементов, участвующих в процессе регулирования.

Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет более эффективного использования тепловой энергии.