ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК F25B27/02 F25B9/14 F02B47/10 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. В качестве рабочего тела используются вещества, неразрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т.д. Однако для эффективного осуществления рабочего цикла машины необходимо, чтобы тепло, подводимое к машине, было бы достаточно высокого термодинамического потенциала (Архаров А.М. Марфенина И.В. Микулин Е. И. Теория и расчет криогенных систем. М. Машиностроение, 1978. с. 305).

Известен способ получения искусственной газовой смеси и повышения термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки, работающей по замкнутому циклу, для объектов без связи с атмосферой. Суть этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси (CO₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигателе, например, газовой турбине. Недостатком этих энергоустановок является то, что при отсутствии связи с атмосферой для их функционирования необходимы системы предварительного запаса или регенерации кислорода, что приводит к усложнению конструктивного исполнения и увеличению объемов материальных сред внутри объекта (Описание изобретения по патенту РФ N 2013588).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем ППЦ служит для получения электрической энергии, а ПОЦ для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОЦ от них необходимо отводить тепло (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой, это низкопотенциальное тепло должно аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (ТАВ), в качестве которого выступает вода, при температуре около + 4^oC, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды, аккумулировавшей тепло преобразователей. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение ППЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление ТАВ за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы ТАВ составляют значительный процент от объема объекта в целом, что приводит к большой стоимости строительства объектов данного типа (Гришутин М.М. Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М. Изд. МЭИ, 1992. 240 с.).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в сокращении объемов хранилищ ТАВ, хранилищ топлива и окислителя для ППЦ, значительном уменьшении капитальных затрат на строительство объектов, функционирующих без связи с атмосферой, и получение дополнительной электрической энергии для нужд объекта.

Для достижения этого технического результата энергохолодильная система, состоящая из преобразователя прямого цикла дизельной энергоустановки замкнутого цикла, преобразователя обратного цикла машины Вюлемье-Такониса, снабжена разомкнутым контуром с криоагентом, включающим теплоизолируемую емкость с жидким кислородом, насос, предназначенный для подачи жидкого кислорода, теплообменник для испарения жидкого кислорода и теплообмена с охлаждаемой жидкостью, подаваемой на преобразователи, детандер, соединенный с насосом одним валом, а передача высокотемпературного потенциала от отработанных газов ППЦ к рабочему телу ПОЦ происходит через нагреватель машины Вюлемье-Такониса.

Введение в состав энергохолодильной системы, разомкнутого контура с криоагентом позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования жидкого кислорода, сначала в качестве ТАВ, а затем в качестве окислителя для ППЦ, за счет его перехода из жидкого в газообразное состояние, с получением дополнительной полезной энергии.

На чертеже изображена схема автономной энергохолодильной системы с криогенной жидкостью.

Энергохолодильная система включает в себя контур дизельной энергоустановки замкнутого цикла 1, контур машины Вюлемье-Такониса 2, контуры системы охлаждения ППЦ и ПОЦ 3 и 4 соответственно, разомкнутый контур с криоагентом 5.

Контур дизельной установки замкнутого цикла 1 состоит из дизеля 6, реактора 7, бункера c щелочноземельным металлом 8, накопителя твердых продуктов реакции 9, сепаратора 10, охладителя 11, смесителя 12. Контур 1 соединен с контуром машины Вюлемье-Такониса 2 через нагреватель 13, который с регенератором 14 и холодильником 15 составляют блок теплообменников линии двигателя машины Вюлемье-Такониса, а холодильник 16, регенератор 17 и охладитель 18 составляют линию холодильной машины Вюлемье-Такониса. Движение и порядок распределения рабочего тела внутри машины обеспечивается возвратно-поступательным движением поршневой группы 19. Для пуска машины предусмотрен электродвигатель 20, связанный с приводом машины (на чертеже не показан).

Разомкнутый контур с криоагентом 5, включающий теплоизолируемую емкость с жидким кислородом 21, насос 22, теплообменник 23, детандер 24, соединен с контуром 1 через охладитель 11. Газообразный кислород, после расширения в детандере 24, поступает в смеситель 12 ППЦ, в качестве окислителя.

Контур охлаждения ППЦ 3 состоит из системы трубопроводов 25 и циркуляционного насоса 26, обеспечивающего движение охлаждающей жидкости от дизеля 6 к теплообменнику 23.

Контур охлаждения ПОЦ 4 аналогичен контуру 3 по назначению и принципу действия. Он включает в себя: систему трубопроводов 27, циркуляционный насос 28, обеспечивающий движение охлаждающей жидкости (перенос тепла) от холодильников машины Вюлемье-Такониса 15, 16 к теплообменнику 23.

Теплообменник нагрузки 18 машины Вюлемье-Такониса через трубопроводы 29 связан с системой термостатирования (система вентиляции и кондиционирования
на чертеже не показана).

Автономная энергохолодильная система работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем, в теплоизоляционной емкости 21 запасается необходимое (расчетное) количество жидкого кислорода. С момента ограничения связи с атмосферой, жидкий кислород насосом 22 подается из емкости 21 в теплообменник 23, где воспринимает тепло от жидкостей, применяемых для охлаждения контуров охлаждения 1 и 2 преобразователей ППЦ и ПОЦ соответственно, выступая в качестве теплоаккумулирующего вещества. За счет принятой теплоты, жидкий кислород нагревается и испаряется и, попадая в охладитель 11, перегревается, так как температурный потенциал "синтез-газа" в контуре дизеля 1 значительно выше потенциала газообразного кислорода, а "синтез-газ" охлаждается. Расширяясь в детандере 24 с получением полезной работы, кислород поступает в смеситель 12 в качестве окислителя. Данное обстоятельство исключает необходимость хранилищ для сбора нагретого теплоаккумулирующего вещества.

Отработавшие газы из дизеля 6 поступают в реактор 7, куда из бункера 8 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В реакторе 7 происходит обработка газов по реакции типа:
2Mg+CO₂+H₂O _→ 2MgO+CO+H₂+Q,
с выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1500 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Более того, образовавшаяся в реакции смесь окиси углерода (CO) и водорода (H₂), представляет собой так называемый "синтез-газ", который может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Твердые продукты реакции собираются в накопителе 9, а газообразные через сепаратор 10 поступают в нагреватель машины Вюлемье-Такониса 13, срабатывают часть термодинамического потенциала и после охладителя 11 поступают в смеситель 12, куда подается газообразный кислород из разомкнутого контура с криоагентом 5 для образования искусственной газовой смеси, поступающей затем в камеру сгорания двигателя 6.

Теплота высокого потенциала, переданная отработанными газами в нагревателе 14 рабочему телу машины Вюлемье-Такониса, для запуска которой используется электродвигатель 20, отключающийся при выходе машины на рабочий режим, преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневой группы 19, обеспечивая совершение двойного термодинамического цикла машины: цикла холодильной машины через теплообменники 16, 17, 18 и цикла двигателя через теплообменники 13, 14, 15, причем работа последнего имеет значение, необходимое для реализации холодильного цикла и получения полезной холодопроизводительности, снимаемой в теплообменнике нагрузки 18 теплоносителем системы термостатирования, двигающимся по трубопроводам 29.

Охлаждающая жидкость из контура охлаждения ППЦ 3, по системе трубопроводов 25, с помощью насоса 26, подается от теплообменника 23 к дизелю 6, охлаждая дизель, за счет передачи тепла жидкому кислороду в теплообменнике 23.

Охлаждающая жидкость из контура охлаждения ПОЦ 4, по системе трубопроводов 27, с помощью циркуляционного насоса 28, подается от теплообменника 23 к холодильникам машины Вюлемье-Такониса 15, 16, охлаждая машину, за счет передачи тепла жидкому кислороду в теплообменнике 23.

Теплообменник нагрузки 18 машины Вюлемье-Такониса через трубопроводы связан с системой вентиляции и кондиционирования (на чертеже не показана), которая обеспечивает термостатирование внутри объекта, функционирующего без связи с атмосферой.

Использование: теплоэнергетика и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Сущность изобретения: отработанные газы из дизеля 6 в результате реакции с щелочноземельным металлом образуют значительное количество теплоты и "синтез-газ", используемый в дальнейшем в качестве топлива для дизеля. "Синтез-газ" с высоким термодинамическим потенциалом поступает в нагреватель 13 машины Вюлемье-Такониса, тем самым обеспечивая совершение термодинамического цикла с получением полезной холодопроизводительности. Жидкий кислород из емкости 21 сначала выступает в качестве теплоаккумулирующего вещества, а затем в газообразном состоянии, расширяясь в детандере 24 с получением полезной работы, используется в качестве окислителя для дизеля 6. 1 ил.

Энергохолодильная система, включающая преобразователь прямого цикла, отличающаяся тем, что в состав системы включен контур с криоагентом, который в жидком состоянии используется как теплоаккумулирующее вещество, а в газообразном как окислитель для преобразователя прямого цикла, причем работа преобразователя обратного цикла осуществляется за счет теплоты отработанных газов преобразователя прямого цикла.