Энергетическая система, способ производства электроэнергии и кондиционирования текучей среды - RU2189669C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к электроэнергетическим или энергетическим системам, а конкретно - к энергетическим системам, используемым для обогрева, вентиляции и охлаждения промышленных и жилых помещений.

Уровень техники
Существующие энергетические системы, как правило, включают энергетические установки, ежедневно используемые потребителями для получения комфортных параметров окружающей среды и для управления температурой обычно используемых текучих сред, таких как вода и воздух. Такие энергетические установки обычно обеспечивают получение кондиционированных воздуха и воды, то есть нагретой и охлажденной воды и пара. Подобные обычные энергетические установки включают, помимо других компонентов, паровые котлы, нагреватели теплоносителей и теплоиспользующие холодильники (приводимые в действие нагревом).

Обычные котлы, такие как паровые котлы, как правило, имеют корпус в форме вертикального цилиндра, и испарение воды производится благодаря сжиганию в центральной части цилиндра нефти, газа или их смеси. Нагрев воды до повышенной температуры происходит за счет тепла, выделяющегося в процессе горения. Такая относительно простая конструкция котла не содержит связанных с цилиндром труб или спиралей, способствующих теплопередаче, что исключает возможность повреждения труб и обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность и надежность. Недостатком обычного парового котла является его относительно низкая топливная эффективность.

В обычных нагревателях теплоносителя рабочая текучая среда протекает по одному или нескольким спиральным трубопроводам, расположенным вокруг камеры нагрева. Выделяемое в нагревателе тепло поглощается рабочей текучей средой и может быть использовано для других целей, таких как нагревание или охлаждение. Среди преимуществ нагревателей теплоносителя по сравнению с традиционными паровыми котлами можно отметить отсутствие коррозии и накипи, опасности замораживания, что, в конечном итоге, снижает уровень требований к обслуживанию. Кроме того, нагреватели этого типа имеют относительно низкие рабочие давления, и используют относительно простые рабочие текучие среды, в результате чего не предъявляется высоких требований к квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, типовой теплоноситель обладает большей теплоемкостью, чем соответствующая жидкость в паровом котле.

Обычные энергетические системы могут также иметь в своем составе теплоиспользующие холодильники или охладители. Примером обычного абсорбционного холодильника может служить аммиачно-водяной абсорбционный холодильник, в котором используются слои адсорбирующего вещества. В принципе, так как сорбент впитывает рабочую текучую среду при охлаждении и выделяет рабочую текучую среду при нагревании, считается, что холодильник приводится в действие нагревом.

Упомянутые выше обычные энергетические системы всегда представляют собой установки, имеющие одну функцию, когда топливо используется для нагревания или охлаждения.

Эффективность любой энергетической системы всегда имеет значение как с точки зрения экономической, так и экологической. Соответственно, в этой области существует потребность в энергетических системах с повышенной эффективностью, которые могут быть достаточно просто установлены в промышленных или жилых помещениях для осуществления кондиционирования, например, нагревания или охлаждения заданной текучей среды. В частности, высокоэффективная энергетическая система, включающая обычное оборудование для нагрева и охлаждения, как, например, компоненты промышленных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ), представляла бы собой шаг вперед в данной области.

В соответствии со сказанным, целью изобретения является создание усовершенствованной, более эффективной энергетической системы для кондиционирования выбранной текучей среды для использования в жилых или промышленных помещениях.

Изобретение будет далее описано на примере конкретных предпочтительных вариантов осуществления. Однако понятно, что специалист среднего уровня может ввести различные изменения и модификации, не отступая от сущности изобретения и в рамках области его притязаний. Например, в соединении с вышеупомянутой электроэнергетической системой могут быть использованы различные установки, в которых применяются различные компоненты и конфигурации, взятые из предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к созданию установок и способов кондиционирования, например, нагрева, охлаждения или прокачки, заданной текучей среды. Упомянутая задача достигается в настоящем изобретении объединением или соединением электрохимического преобразователя (конвертера), как, например, топливного элемента для выработки электроэнергии, с нагревающим или охлаждающим компонентами системы отопления (охлаждения), вентиляции или кондиционирования воздуха (ОВКВ). Электрохимический конвертер, будучи источником электрической энергии, в настоящем изобретении также действует как средство для сжигания топлива в нагревающем или охлаждающем компоненте.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, энергетическая система, соответствующая настоящему изобретению, содержит топливный элемент, вырабатывающий электричество и поток отходящего (попутного) тепла с заданной повышенной температурой, и связанную с топливным элементом теплоиспользующую охлаждающую установку, приспособленную для приема этого потока отходящего тепла. Охлаждающая установка поглощает тепло, которое приводит ее в действие и, в свою очередь, создает на выходе поток текучей среды, заданная температура которой ниже, а при необходимости, значительно ниже, чем температура отходящего потока тепла топливного элемента. Заданная температура может быть также ниже температуры жилого или промышленного помещения.

Согласно другому аспекту изобретения, система содержит элемент для регулирования отходящего потока тепла. Этот элемент может содержать радиационный экран, по крайней мере, частично окружающий топливный элемент.

Согласно другому аспекту изобретения, теплоиспользующая охлаждающая установка, содержит имеющий тепловую связь с топливным элементом парогенератор, который при нагревании свыше заданной температуры выделяет заданный пар. Установка также содержит конденсатор, связанный потоком текучей среды с парогенератором, предназначенный для конденсации пара в жидкость, и испаритель для обратного преобразования жидкости в пар.

Согласно еще одному аспекту изобретения, парогенератор теплоиспользующей охлаждающей установки, по крайней мере, частично включает в себя топливный элемент и приспособлен для приема выделяемого там отходящего тепла.

Согласно еще одному аспекту изобретения, энергетическая система содержит стыковочный обменник, расположенный между топливным элементом и теплоэнергетической установкой, например системой ОВКВ, для улучшения теплообмена между ними. Например, с помощью стыковочного обменника можно улучшить теплообмен между охлаждающим компонентом системы ОВКВ, как, например, теплоиспользующей охлаждающей установкой и топливным элементом. Стыковочный обменник может получать тепловую энергию от поступающей текучей среды с повышенной температурой, например текучей среды, образующейся при горении топлива, либо от выхлопных газов топливного элемента, или текучей среды, получаемой от какого-либо другого тепловыделяющего/сжигающего топливо источника, и передавать тепловую энергию в теплоиспользующую охлаждающую установку.

Согласно еще одному аспекту, стыковочный обменник содержит несколько теплопроводящих пластин, изготовленных из теплопроводного материала и собранных в пакет, образующий вытянутую сборку. Внешняя поверхность стыковочного обменника приспособлена для обмена тепловой энергией с внешним относительно него оборудованием, например системой ОВКВ.

Согласно другому аспекту изобретения, теплопроводящие пластины образуют проходы, по которым обеспечивается протекание текучей среды в плоскости вдоль наружной поверхности пластин. Элемент также включает один или более каналов, расположенных внутри него по оси, и средства для обеспечения снижения давления газового потока в проходах и между соседними теплопроводящими пластинами, значительно превышающего снижение давления газового потока внутри осевого канала. Форма проходов сделана такой, чтобы поддерживать в значительной мере постоянное падение давления в них для обеспечения по существу однородного в плоскости распределения потока газа вдоль осевого канала.

Согласно другому аспекту изобретения, теплопроводящая пластина выполнена из пористого проводящего материала, благодаря чему обеспечивается протекание газа по оси сквозь пластину.

Согласно другому аспекту изобретения, стыковочный обменник содержит спиральную теплопроводящую ленту, приспособленную для обмена тепловой энергией с охлаждающим оборудованием.

Согласно еще одному аспекту изобретения, стыковочный обменник состоит из пористого теплопроводного материала и приспособлен для приема тепловой энергии от подводимой текучей среды, и передачи тепловой энергии охлаждающему оборудованию.

В соответствии с другим своим аспектом, настоящее изобретение представляет собой энергетическую систему, приспособленную для нагревания заданной текучей среды, и содержит топливный элемент, вырабатывающий электроэнергию и поток отходящего тепла, и нагревательный компонент системы ОВКВ, такой как котел, который соединен с топливным элементом и приспособлен для приема от него отходящего тепла.

Другие общие и более частные задачи изобретения частично станут очевидными, а частично будут наглядно продемонстрированы в следующих ниже чертежах и описании.

Перечень фигур чертежей
Упомянутые выше и другие цели, особенности и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания и очевидными из прилагаемых чертежей, на которых одинаковые цифровые обозначения относятся к одним и тем же частям на разных видах. Чертежи иллюстрируют принципы изобретения и, хотя и не в масштабе, показывают относительные размеры.

Фиг. 1 представляет блок-схему совокупной энергетической системы для получения электроэнергии и кондиционирования текучей среды в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 представляет схематическое изображение энергетической системы, содержащей топливный элемент, радиационно связанный с нагревающим или охлаждающим компонентами системы ОВКВ.

Фиг. 3 представляет схематическое изображение электроэнергетической установки, содержащей топливный элемент, конвективно связанный с нагревающим или охлаждающим компонентами системы ОВКВ.

Фиг.4 представляет схематическое изображение энергетической системы, содержащей теплоиспользующую охлаждающую установку, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 5 представляет вид поперечного сечения стыковочного обменника в форме пакета пластин в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 6 представляет вид поперечного сечения стыковочного обменника, содержащего пористый теплопроводный материал, в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 представляет изображение стыковочного обменника с осевыми проходами для потока в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 представляет изображение стыковочного обменника в форме "колеса телеги" в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9 представляет изображение стыковочного обменника пластинчатого типа в соответствии с настоящим изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 показана блок-схема совокупной энергетической системы в соответствии с настоящим изобретением, используемой для кондиционирования, то есть для нагревания и/или охлаждения заданной текучей среды. Изображенная совокупная энергетическая система 10 содержит электрохимический конвертер 12, который имеет тепловую связь с теплоэнергетической установкой, например, системой 14 ОВКВ. Электрохимический конвертер, помимо производимой электроэнергии, в предпочтительном варианте выделяет поток отходящего тепла, которое передается системе 14 ОВКВ, как это показано волнистыми линиями 16. Электрохимические конвертеры, такие как топливные элементы, известные из предшествующего уровня техники, представлены и описаны в патентах США 5462817, 5501781 и 4853100, автор Хсу, на каждый из которых здесь приводятся ссылки.

Связь электрохимического конвертера 12 с системой 14 ОВКВ может быть радиационной, кондуктивной или конвективной. Электрохимический конвертер по настоящему изобретению в предпочтительном варианте осуществления изобретения представляет собой топливный элемент, такой как топливный элемент с твердым оксидом, топливный элемент с расплавом карбоната, топливный элемент с фосфорной кислотой, щелочной топливный элемент или мембранный топливный элемент с обменом протонов.

Системы ОВКВ обычно используют замкнутую систему переноса теплоносителя внутри здания. В подобной замкнутой системе нагревающий компонент, такой как паровой котел или нагреватель теплоносителя, либо охлаждающий компонент, такой как теплоиспользующая охлаждающая установка или другой компонент для кондиционирования воздуха, управляет температурой теплоносителя, который обычно перемещается внутри помещения по трубопроводам. Системы ОВКВ обычно используются для управления параметрами среды, такими как температура или влажность, в одном или нескольких замкнутых помещениях. Системы ОВКВ бывают различных типов, включая многозонные, с двойными трубопроводами или периодическим повторным подогревом. Как правило, подобные системы ОВКВ содержат раздельные источники нагрева и охлаждения внутри одной системы. Это позволяет с помощью одной системы как нагревать, так и охлаждать одно и то же помещение. В соответствии с общепринятой практикой, в одном помещении, например производственном корпусе, может быть установлено несколько систем ОВКВ, которые объединены соответствующей системой, имеющей общий источник тепла, и которые могут содержать раздельные нагревательные элементы и охлаждающие элементы, или то и другое одновременно. Нагревательные и охлаждающие элементы обеспечивают тепловую энергию, необходимую для осуществления либо отопления, либо охлаждения помещения.

На фиг.2 показано, как в настоящем изобретении производится объединение электрохимического конвертера, например, топливного элемента 12, и компонента, в котором производятся тепловые преобразования (например, нагревателя или охладителя), системы 14 ОВКВ. Показанный топливный элемент имеет вход 20 для топливного реагента и вход 22 для воздушного реагента. Топливный и окислительный реагенты подводятся к показанному топливному элементу с помощью средств для подведения одного из топливных реагентов и окислительного реагента, например соответствующих трубопроводов. Топливный элемент обрабатывает топливный и окислительный реагенты с помощью средств для обработки упомянутых реагентов и производит, в одном из режимов работы, электроэнергию и поток отходящего тепла. Отходящее тепло может быть передано на подходящий тепловой преобразователь 26 с использованием радиационного механизма. Показанные тепловые преобразователи 26 способствуют передаче тепла, полученного радиационным способом от топливного элемента 12, к компонентам системы 14 ОВКВ. Передающие тепло компоненты 26 также служат для управления температурой топливного элемента. Тепловые преобразователи 26 могут содержать, например, парогенератор теплоиспользующей охлаждающей установки, размещенной вблизи или соприкасающийся с топливным элементом 12 для получения от него тепла с помощью радиационного механизма передачи. Тепловые преобразователи 26 могут также содержать котел нагревающего компонента, расположенный вблизи топливного элемента для получения от него тепла с помощью радиационного механизма передачи.

Подразумевается, что термины "нагревающий компонент" и "охлаждающий компонент" системы ОВКВ обозначают любую подходящую и известную нагревающую и охлаждающую установки, предназначенные для обогрева и охлаждения оборудования жилых и промышленных помещений, или оборудования других известных типов. Вышеприведенные примеры нагревающих и охлаждающих компонентов, однако, не исчерпывают все возможные типы нагревающей и охлаждающей аппаратуры, которая может быть использована в составе энергетической системы в соответствии с настоящим изобретением.

Как показано на фиг.2, топливный элемент 12 также выделяет выхлопные газы 24, которые могут отводиться от топливного элемента 12, имеющего средства для производства электроэнергии, отходящего тепла и выхлопных газов, имеющих заданную повышенную температуру. Тепловые преобразователи 26 в предпочтительном варианте осуществления изобретения должны иметь тепловую связь с нагревающим компонентом или охлаждающим компонентом системы 14 ОВКВ. Например, топливный элемент 12 может выделять отходящее тепло, которое поглощается котлом. Поглощенное тепло нагревает находящуюся там рабочую текучую среду до заданной повышенной температуры, которая затем распределяется системой ОВКВ по помещению для использования в заданных целях, таких как отопление, приготовление пищи и обеспечение химических процессов, а также других сходных и известных применениях. В показанной конфигурации топливный элемент 12 заменяет, таким образом, камеру сгорания котла.

Фиг. 3 представляет другой вариант осуществления совокупной энергетической системы 10 в соответствии с настоящим изобретением. Изображенная система 10 содержит топливный элемент 12, который имеет с системой 14 ОВКВ конвективную связь. В соответствии с этим вариантом осуществления изобретения, топливным элементом перерабатываются топливный и окислительный реагенты 20 и 22 соответственно, и вырабатывается электроэнергия и выхлопные газы 24. Выхлопные газы направляются непосредственно к тепловому преобразователю 26, входящему в состав системы 14 ОВКВ. Затем выхлопные газы отводятся от системы с помощью трубопровода 28. Хотя в показанном варианте осуществления выхлопные газы поступают непосредственно в систему 14 ОВКВ для конвективной передачи тепла, понятно, что могут существовать и другие конструкции. Например, между топливным элементом 12 и системой 14 ОВКВ может быть установлен стыковочный обменник. В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения, которые были бы понятны специалисту среднего уровня, могут использоваться иные типы теплообменников и средств управления температурой для осуществления передачи тепла от выхлопных газов топливного элемента к одному или более компонентам системы 14 ОВКВ.

Преимуществом использования топливного элемента в качестве узла, в котором производится сжигание топлива, входящего в состав нагревающего или охлаждающего компонентов, является получение, наряду с кондиционированной текучей средой, еще и электроэнергии. Электроэнергия вырабатывается внутри топливного элемента в соответствии с известным электрохимическим процессом. Электроэнергия отводится от топливного элемента для использования путем подключения к соответствующим электрическим выводам. Таким образом, показанное объединение топливного элемента с тепловым преобразователем 26, входящим в состав нагревающего или охлаждающего компонентов системы ОВКВ, образует высокоэффективную энергетическую систему, которая, наряду с охлаждением и/или обогревом жилых или промышленных помещений, также вырабатывает электроэнергию. Как показано на фиг.2 и 3, передача тепловой энергии к тепловому преобразователю 26, входящему в состав нагревающего или охлаждающего компонента системы ОВКВ, может осуществляться через радиационный и кондуктивный механизмы (фиг.2), либо путем конвекции (фиг.3).

При введении в систему ОВКВ электрохимического конвертера, пригодного для использования в составе ее нагревающего компонента, интегрированная полная энергетическая система обеспечивает внешние помещения электроэнергией и теплом. Важным преимуществом использования конвертеров является то, что они отличаются высоким коэффициентом полезного действия, зависящим только от отношения между свободной энергией и энтальпией электрохимической реакции и не ограничиваемым параметрами цикла Карно.

Другой вариант осуществления изобретения показан на фиг.4, где топливный элемент 12 объединен с охлаждающим компонентом системы ОВКВ. В варианте, изображенном на фиг.4, теплоэнергетическая установка, например охлаждающий компонент (охлаждающая установка) 30, содержит аммиачно-водяной абсорбционный охладитель. Показанная охлаждающая установка 30 содержит парогенератор 32, конденсатор 40, испаритель 50, насос 60 текучей среды, и насос 68 раствора. Показанный парогенератор 32, входящий в охлаждающую установку 30, поглощает поток тепла 16 от источника тепла. Парогенератор 32, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, содержит смесь аммиака и воды, чувствительную к параметрам окружающей среды. Известно, что в холодильнике аммиак выполняет функции хладагента, а вода - абсорбента. Тепло, поглощенное парогенератором 32, заставляет аммиачно-водный раствор кипеть. В процессе кипения аммиак и вода разделяются. Аммиак уходит из корпуса парогенератора в виде газа и направляется в конденсатор 40 с помощью трубопроводов 42.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения конденсатор содержит спираль 44 конденсатора, которая проходит вблизи трубопровода 42. Спираль конденсатора предназначена для конденсации проходящих по трубопроводу 42 паров аммиака обратно в жидкость. Проходя по трубопроводу 42 к испарителю 50, сконденсированная жидкость проходит через дроссель 46, который понижает давление и температуру потока до заданных значений.

Испаритель 50 в предпочтительном варианте осуществления содержит корпус 52, имеющий выполненное в нем подходящее отверстие для входного трубопровода 54. Входной трубопровод 54, через который подводится входная текучая среда, далее соединен внутренними трубами с распределяющей конструкцией 56, предназначенной для распределения текучей среды. Распределяющая конструкция 56 рассеивает входную текучую среду по трубопроводу 47, который спиралью окружает внутренний трубопровод 54 внутри корпуса испарителя и который соединен отрезком трубопровода 42 с дросселем 46, как это показано. Жидкий аммиак, попадающий в испаритель 50, поглощает тепло от воды, поступающей из распределяющей конструкции 56. Жидкий аммиак получает от входной текучей среды, например воды, достаточно теплоты для перехода в газообразное состояние. Образовавшийся газ отводится в охлаждаемый раствором поглотитель 74.

Вода-абсорбент, которая ранее была частью аммиачно-водной смеси, и которая осталась в парогенераторе 32, по трубопроводу 80 поступает в поглотитель 74. Показанный трубопровод 80 для текучей среды может также содержать дроссель для раствора для понижения температуры воды. Эта относительно холодная вода-абсорбент взаимодействует с газообразным аммиаком с конденсацией его в жидкую форму. Затем аммиачно-водная смесь с помощью насоса 68 раствора через трубопровод 84 и, затем, через трубопровод 86 поступает в парогенератор 32.

Относительно холодная вода, скапливающаяся внутри испарителя 50, откачивается оттуда с помощью насоса 60 и отводится в заданные места помещения, например, для их охлаждения.

В соответствии с одним из вариантов осуществления может использоваться стыковочный обменник, как это показано на фиг.3, для осуществления конвективного обмена теплом между выхлопными газами 24 топливного элемента и тепловым преобразователем 26, входящим в систему 14 ОВКВ.

На фиг.5-9 показан стыковочный обменник 100, предназначенный в соответствии с настоящим изобретением для использования в сочетании с электрохимическим конвертером 12 и системой 14 ОВКВ для обеспечения передачи между ними тепловой энергии. Фиг. 5 показывает поперечное сечение стыковочного обменника 100, представляющего, в соответствии с настоящим изобретением, пакет пластин, и стыковочный обменник 100 содержит большое количество собранных в пакет теплопроводящих пластин 102. Элемент обмена содержит трубопровод или канал 104 для теплоносителя, непосредственно связанный с внутренними частями теплопроводящих пластин 102. Стыковочный обменник может быть размещен внутри воздухонепроницаемой камеры или оболочки 110. По каналу 104 поступает заданная текучая среда, например, такая газ с повышенной температурой, во внутреннюю полость стыковочного обменника 100. Расположение пластин 102 в предпочтительном варианте осуществления такое, что они образуют проходы 112 для текучей среды, которые позволяют ей двигаться, в плоскости, в сторону внешних поверхностей пластин 102. Газ, имеющий повышенную температуру, отдает тепло теплопроводящим пластинам 102. Этот теплообмен между пластинами 102 и входной текучей средой охлаждает текучую среду, которая затем может быть удалена из стыковочного обменника 100 через выпускные каналы 114. Тепло, поглощенное теплопроводящими пластинами 102, выделяется стыковочным обменником 100 в окружающую среду, как это показано сплошными стрелками 116.

Теплопроводящие пластины 102 могут быть выполнены из любого подходящего теплопроводного материала, включая металлы, такие как алюминий, медь, железо, сталь, сплавы, никель, сплавы никеля, хром, сплавы хрома, платина, а также неметаллы, такие как карбид кремния и другие подходящие теплопроводные композиционные материалы. Толщина проводящей пластины 102 может быть выбрана из условия соблюдения заданного градиента температуры в плоскости пластины 102, то есть вдоль поверхности пластины.

Более того, проводящие пластины создают однородные тепловые условия вдоль оси пакета (вдоль наружной периферической поверхности теплообменной структуры 100А) благодаря однородному распределению входящей текучей среды по проходам 112 для текучей среды, тем самым препятствуя образованию холодных или горячих пятен вдоль пакета. Этим улучшаются общие тепловые параметры внутренней структуры обмена и контролируются параметры теплообмена в целом.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, входящая текучая среда может выводиться вдоль или вблизи периферийной части камеры 100А внутренней теплообменной структуры. В данной конфигурации воздухонепроницаемая камера 100А служит в качестве выхлопного трубопровода, который собирает и отводит выхлопные газы в любое заданное место.

В соответствии с другим вариантом осуществления, входящая текучая среда может быть введена в периферийный выхлопной патрубок, образованный воздухонепроницаемой камерой 100А, а затем в теплообменную пластинчатую структуру 100 вдоль краев. В данной конфигурации входящий поток текучей среды растекается радиально внутрь вдоль поверхностей проводящих пластин 102 и может быть выведен через один или более направленных в осевом направлении каналов 104 или 114.

Существенным преимуществом стыковочного обменника 100 в соответствии с настоящим изобретением является то, что он допускает интегрирование с существующими системами ОВКВ при минимальных изменениях конструкции систем ОВКВ. Как следствие, стыковочный обменник 100 может быть использован совместно с существующими системами самых различных типов и, таким образом, иметь широкую область применения. Стыковочный обменник обладает рядом полезных свойств, включая 1) высокую эффективность теплопередачи, приводящую к высокой эффективности системы ОВКВ, 2) большую величину теплового потока при теплопередаче, обеспечивающую относительную компактность конструкции, что расширяет возможности и диапазон применений в совокупных энергетических системах, и 3) компактность, позволяющую устанавливать стыковочный обменник в уже действующее оборудование ОВКВ.

С точки зрения эксплуатации, стыковочный обменник 100 геометрически совместим с тепловым преобразователем 26, входящим в состав системы ОВКВ, таким как парогенератор 32, составляющим часть нагревающего или охлаждающего элемента, или котел, составляющий часть нагревающего компонента, для обеспечения теплообмена между топливным элементом и парогенератором или котлом.

Если вернуться снова к фиг.2 и 3, то стыковочный обменник может быть введен между топливным элементом 12 и системой 14 ОВКВ для осуществления прямого обмена между ними тепловой энергией. С другой стороны, пакет теплообменника самого топливного элемента может выполнять функцию промежуточного нагревателя, будучи размещенным в непосредственном контакте с одним или несколькими компонентами системы 14 ОВКВ, передавая компонентам ОВКВ выделяемое отходящее тепло радиационным путем. Однако подобная прямая интеграция топливного элемента и системы ОВКВ требует геометрического соответствия пакета теплообменника топливного элемента и теплового преобразователя системы ОВКВ. В результате необходимы изменения пакета теплообменника топливного элемента и конструкции, что может привести к росту затрат, связанных с установкой. Следовательно, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, геометрия стыковочного обменника 100 должна быть такова, чтобы соответствовать топливному элементу и системе ОВКВ так, чтобы обеспечивать непосредственную стыковку с ними, в результате чего получается относительно компактная, простая в эксплуатации и высокоэффективная совокупная энергетическая система. Описанный стыковочный обменник 100 относится к обменнику пластинчатого типа, имеющему превосходные тепловые рабочие характеристики и обеспечивающему тепловую интеграцию с тепловым преобразователем 26, входящим в состав системы ОВКВ. Использование стыковочного обменника в соответствии с настоящим изобретением позволяет решить проблемы, связанные с чрезмерными габаритами обычных теплообменников, благодаря применению компактных, высокоэффективных теплообменников, которые могут передавать тепло, используя как кондуктивный, так и конвективный механизмы.

В предпочтительном варианте имеются средства для создания падения давления газового потока в проходах и между соседними теплопроводящими пластинами, например, проходы 112 для текучей среды сформированы внутри стыковочного обменника 100 таким образом, что падение давления в проходах 112 значительно больше, чем падение давления вдоль канала 104. Более конкретно, гидравлическое сопротивление проходов 112 для текучей среды значительно выше, чем гидравлическое сопротивление канала 104.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, пакетированный внутренний обменник 100 имеет колоннообразную форму, а теплопроводящие пластины 102 имеют диаметр в интервале от около 25 мм до около 508 мм (от около 1 дюйма до около 20 дюймов), а толщину в интервале от около 0,508 мм до около 50,8 мм (от приблизительно 0,002 дюйма до приблизительно 0,2 дюйма). Используемым здесь термином "колоннообразный" предполагается называть различные геометрические структуры, которые, будучи сложены в пакет вдоль продольной оси, имеют, по крайней мере, один внутренний канал, который служит проходом для смеси текучей среды. Технически грамотному человеку должно быть понятно, что внутренний обменник 100 может иметь другие геометрические конфигурации, например, прямоугольной или прямолинейной формы с внутренними или внешними каналами. Пластины с заданной прямоугольной формой могут быть собраны в пакеты и объединены с внешними трубопроводами для подвода и отвода текучей среды, например, горячего или холодного газа. Конкретная конфигурация стыковочного обменника выбирается с учетом геометрии теплового преобразователя системы ОВКВ, для которой он предназначен.

Фиг. 6 представляет вид поперечного сечения другого варианта осуществления стыковочного обменника в соответствии с настоящим изобретением, в котором используется пористая среда. Показанный обменник 120 имеет в основном цилиндрическую форму, выполнен из в основном пористого теплопроводного материала (среды) 122, а его внешняя периферийная поверхность 124 предназначена для контакта с тепловым преобразователем 26 системы ОВКВ. Как показано, выбранная входная текучая среда, имеющая повышенную температуру, подводится ко входу 126 стыковочного обменника и выводится из его выхода 128. Теплопроводный материал 122 поглощает тепло от входящей текучей среды и, в результате, отводится относительно холодная текучая среда, имеющая температуру ниже, а в предпочтительном варианте значительно ниже, чем подводимая текучая среда. Тепло, поглощаемое пористым теплопроводным материалом 122, отводится от нее с помощью кондуктивного или конвективного механизма к тепловому преобразователю 26. Показанный внутренний обменник 120 может быть использован также как и стыковочный обменник, описанный и показанный на фиг.5. По аналогии с стыковочным обменником 100, показанным на фиг.5, обменник 120 может иметь любую заданную геометрическую форму, подходящую для использования совместно с обычными системами ОВКВ.

На фиг.7-9 изображены следующие варианты стыковочного обменника по настоящему изобретению. На фиг.7 показан стыковочный обменник 130, имеющий, в основном, цилиндрический корпус с внешней поверхностью 132 и длиной, направленной вдоль продольной оси. Стыковочный обменник 130 имеет несколько сквозных каналов 134, расположенных вдоль его оси между его верхней частью 130А и нижней частью 130В. В предпочтительном варианте осуществления стыковочный обменник должен быть выполнен из теплопроводного материала, сходного с материалами, используемыми для стыковочных обменников, описанных и показанных на фиг.5 и 6.

Работа показанного стыковочного обменника 130 происходит аналогично тому, как это было описано выше. Например, в входную часть 130В стыковочного обменника подается входная текучая среда 136 с заданной повышенной температурой, затем она проходит по осевым каналам 134 и выбрасывается с противоположного конца. По мере того, как входная текучая среда 136 проходит вдоль стыковочного обменника 130, тепло от нее поглощается теплопроводящим корпусом обменника. Как следствие, тепло поглощается от поступающей текучей среды, после чего она выходит из обменника, имея температуру значительно ниже, чем на входе. Тепловая энергия передается к наружной поверхности 132, которая для осуществления теплообмена имеет контакт с тепловым преобразователем 26, входящим в состав системы ОВКВ.

Примером других вариантов осуществления стыковочного обменника может служить вариант, показанный на фиг.8. В этом случае стыковочный обменник 140 имеет в основном цилиндрическую форму с внешней поверхностью 142 и несколькими спицами 144, расходящимися радиально наружу от центральной втулки 146 до внутренней стенки 148 обменника 140, наподобие колеса телеги.

Фиг.9 представляет другой вариант стыковочного обменника 150, соответствующего настоящему изобретению. Показанный обменник 150 в основном прямоугольной формы имеет несколько боковых граней 152А-152D и несколько пластин 154, проходящих между боковыми гранями 152А и 152В. Пластины разделены интервалами вдоль оси, соединяющей грани 152С и 152D. Показанный обменник 150 в предпочтительном варианте осуществления должно быть выполнен из теплопроводного материала, поглощающего тепло из поступающей текучей среды. В результате, текучая среда выходит из обменника, имея температуру существенно ниже, чем на входе в него. Тепловая энергия передается наружным поверхностям 152А и 152В, которые, как правило, имеют контакт для теплообмена с тепловым преобразователем 26 системы ОВКВ.

Проиллюстрированное тепловое объединение электрохимического конвертера с системой ОВКВ представляет собой шаг вперед в данной области. Показанная гибридная совокупная энергетическая система 10, используемая для обеспечения жилых и промышленных помещений электроэнергией, а также охлажденной или нагретой текучей средой, имеет много достоинств с точки зрения обслуживающих энергетических компаний. Одно такое достоинство связано с тем, что электрохимический конвертер сжигает топливо для обеспечения процессов нагревания или охлаждения и одновременно производит электроэнергию. Поэтому электрохимический конвертер может использовать в качестве топливного реагента природный газ, удовлетворяя при этом, в свою очередь, запросы конечного потребителя как по электроэнергии, так и по теплу. Использование такого вида топлива обеспечивает применение экологически безопасной, бесшумной, чрезвычайно чистой и компактной совокупной энергетической системы, не требующей для своего монтажа много места и специальных условий.

Другим важным достоинством настоящего изобретения является то, что полная энергетическая система при необходимости может быть размещена на объекте или вблизи него, где существует потребность в вырабатываемых системой кондиционированной текучей среде или электроэнергии, тем самым исключая затраты на линии электропередач. Такие системы могут быть предназначены как для постоянной эксплуатации, так и для использования в случаях необходимости. К достоинствам также относится относительная простота и безопасность процесса замены топливного элемента или его частей, что может выполняться на месте без серьезной разборки всей системы.

Таким образом, понятно, что изобретение в полной мере достигает поставленные выше цели, в том числе и очевидные из приведенного описания. Поскольку в описанных выше конструкциях могут быть сделаны определенные изменения, не выходящие за рамки притязаний изобретения, следует иметь ввиду, что все изложенное в описании и показанное на приложенных чертежах должно восприниматься в качестве иллюстрации, но не в ограничительном смысле.

Также следует иметь ввиду, что приведенная ниже формула изобретения охватывает все общие и частные особенности изобретения, описанные здесь, и те, которые подразумеваются, в пределах объема изобретения.

Реферат

Предлагается энергетическая система, в которой соединены или объединены электрохимический конвертер, такой как топливный элемент для получения электроэнергии, и система обогрева, вентиляции и охлаждения (ОВКВ). Вырабатываемое топливным элементом отходящее тепло с использованием радиационного, конвективного или кондуктивного механизмов теплопередачи передается тепловому компоненту системы ОВКВ, такому как теплоиспользующая охлаждающая установка или котел. Установка ОВКВ принимает отходящее тепло, чтобы использовать его для выработки кондиционированной текучей среды, такой, например, как нагретый или охлажденный воздух, или вода, или пар, для обогрева, охлаждения или промышленных применений. Изобретение представляет собой энергетическую систему с повышенной эффективностью, которая позволяет обеспечивать электроснабжение, обогрев или охлаждение, например, промышленных или жилых помещений. Также раскрывается стыковочный обменник для осуществления конвективной связи электрохимического конвертера с системой ОВКВ. Стыковочный обменник принимает нагретые выхлопные газы, вырабатываемые топливным элементом, и извлекает из них тепло для передачи его тепловому компоненту системы ОВКВ, такому как теплоиспользующий охладитель или котел. Техническим результатом от использования изобретения является создание усовершенствованной, эффективной энергетической системы. 2 с. и 42 з.п.ф-лы, 9 ил.

Формула