Результат интеллектуальной деятельности: Когенератор на твердом биотопливе

Изобретение относится к энергетике, а именно к системам генерации тепла и электроэнергии.

Известны пеллетные камины и котлы, дизельные и газовые тепловые пушки с теплообменниками, вентиляторами для подачи тепла в дома и большие помещения (http://www.proclimatgroup.ru/kalorifery/vozduhonagrevateli-elektricheskie/). Известные пеллетные котлы оснащаются электрическими дымососами и вытяжными трубами для создания разрежения в пеллетной горелке. Указанные устройства генерируют только тепло и не генерируют электроэнергию.

Известны когенерационные микротурбины на газе и жидком топливе, которые помимо тепла также генерируют электроэнергию, но имеют электрический КПД преобразования тепла менее 30% (www.bpcenergy.ru/equipment/capstone/, www.manbw.ru/analitycs/capstone.html).

Недостатком известных микротурбин является то, что КПД микротурбин достигается за счет использования рекуператора тепла отходящих газов и без рекуператора не сможет иметь приемлемое значение, поэтому микротурбинные установки без рекуператоров не применяются.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплоэлектрогенератор, состоящий из воздушного компрессора, горелки топлива, теплообменника, воздуховодов, электрического генератора и двух расширительных машин, одна из которых служит для привода компрессора, а вторая служит для привода электрического генератора (патент РФ №162043, МПК F02B 41/10, 2015). Подвод тепловой энергии от сгораемого топлива к воздуху происходит через теплообменник с последующим нагнетанием теплого воздуха в отапливаемое помещение турбокомпрессором.

Недостатками известного устройства являются высокие затраты на энергоносители, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания.

Задачей предлагаемого изобретения является экономия жидкого топлива (дизельного, керосина) или газа и уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания за счет замены жидкого топлива и газа в когенераторе древесными гранулами (пеллетами) как наиболее экологически чистым и дешевым твердым биотопливом, сырьем для которого служит древесина и отходы сельскохозяйственного производства, например солома, лузга семечек и др.

В результате использования предлагаемого изобретения происходит прямое использование тепловой энергии отходящих продуктов сгорания пеллет при одновременном получении тепла и электроэнергии за счет формирования смешанного потока продуктов сгорания и воздуха в камере смешения эжектора, который на выходе из эжектора имеет давление выше, чем давление воздуха на входе в эжектор. Смешанный поток используется для работы двух расширительных машин (турбин) и также идет на отопление.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый когенератор на твердом биотопливе, содержащий воздушный компрессор, электрический генератор и турбину для привода компрессора, согласно изобретению снабжен бункером твердого биотоплива, пеллетной горелкой, второй турбиной для привода электрического генератора и эжектором, выполненным с камерой смешения воздуха и продуктов сгорания топлива, используемых для работы турбин и переноса тепла в отапливаемые помещения.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема когенератора.

Когенератор на твердом биотопливе содержит бункер твердого топлива 1, пеллетную горелку 2 с вентилятором 8, эжектор 3 с камерой смешения 9, воздушный компрессор 4, турбину компрессора 5, электрический генератор 6, турбину электрического генератора 7. Воздушный компрессор 4 и электрический генератор 6 имеют общие валы с турбинами 5 и 7 соответственно.

Работает когенератор на твердом топливе следующим образом.

Перед розжигом пеллетной горелки 2 запускается ее вентилятор 8, воздух проходит через горелку 2 и поступает на турбину 5, которая раскручивается вместе с компрессором 4. Воздух от компрессора 4 пропускается через сопло эжектора 3, которое создает разрежение в камере смешения 9 и самой горелке 2, увеличивая поток воздуха через горелку 2.

Затем поджигается топливо (пеллеты), поступающее из бункера 1 в пеллетную горелку 2, и начинается процесс горения с использованием воздуха от вентилятора 8 на горение топлива. Продукты сгорания топлива с высокой температурой поступают от горелки 2 в камеру смешения эжектора 3, в которой происходит смешивание продуктов сгорания с воздухом, проходящим через сопло эжектора 3. Рабочая смесь из воздуха и горячих продуктов сгорания с высоким теплосодержанием подается на турбину 5, мощность турбины 5, частота вращения турбины 5 с компрессором 4 и расход воздуха через сопло эжектора 3 увеличиваются. Разрежение в горелке 2 возрастает и поступающего воздуха становится достаточно для полного сгорания и обеспечения автономного горения топлива в горелке 2. Горячая смесь с большим содержанием чистого воздуха совершает работу в турбине 5 (привод компрессора 4). Отходящая от турбины 5 рабочая смесь поступает в турбину 7, где совершает работу - привод электрического генератора 6, расширяется и с пониженной температурой и остаточным давлением нагнетается в отапливаемые помещения.

Электрический вентилятор 8 отключается. Когенератор выходит на рабочий режим.

В результате работы предлагаемого когенератора происходит более эффективное использование тепловой энергии отходящих продуктов сгорания пеллет при одновременном получении тепла и электроэнергии. Это достигается за счет смешивания продуктов сгорания пеллет с воздухом в камере смешения 9 эжектора 3 под воздействием эжектирующего потока воздуха, создаваемого компрессором 4, и работы турбины 5 на горячей смеси продуктов сгорания топлива и воздуха для обеспечения привода компрессора 4. Вторая турбина 7 работает на отходящей от турбины 5 рабочей смеси газов и является приводом электрического генератора 6, а отходящая от турбины 7 рабочая смесь газов с большим содержанием воздуха и незначительным содержанием CO₂ под остаточным давлением, при умеренной температуре поступает в теплицы, сушильные и другие отапливаемые помещения без использования вентилятора. Учитывая небольшое содержание CO₂ в продуктах сгорания пеллет и повышенное содержание воздуха в отходящей смеси газов, смесь может также нагнетаться в проветриваемые жилые помещения.

В результате работы когенератора происходит эффективное использование тепловой энергии отходящих продуктов сгорания пеллет при одновременном получении тепла и электроэнергии за счет формирования смешанного потока продуктов сгорания и воздуха в камере смешения эжектора 9. Пройдя камеру смешения 9, поток устремляется в диффузор, в котором происходит его торможение и рост давления. На выходе из эжектора 3 смешанный поток имеет давление выше, чем давление воздуха на входе в эжектор 3. Давление смешанного потока используется для совершения работы двух турбин 5 и 7.

Область применения когенераторов: системы воздушного отопления и электроснабжение сельскохозяйственных объектов (фермы, мастерские, зернохранилища, овощехранилища, сушилки фруктов, грибов) и жилых домов, ангаров, складских помещений, бытовок в арктических условиях эксплуатации и как автономное энергетическое средство для тепличных хозяйств.