КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02G1/04 F01B29/10 F23D14/18 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, а именно к двигателям Стирлинга, основанным на каталитическом окислении топлива во внешней камере сгорания. Такие двигатели могут использоваться для нагрева или охлаждении закрытого или перегороженного пространства, для выработки электрической или механической энергии, в частности, для транспортных средств, холодильных установок, оборудования, работающего в шахтах и в других случаях, когда необходимо беспламенное горение.

Известны (EP-0416710) различные устройства для осуществления эндотермических или экзотермических реакций в реакционной камере. Здесь частицы катализатора могут быть нанесены на керамические сотовые структуры, помещенные в реакционную камеру, в которую подаются реакционные газы. Для улучшения теплопроводности в качестве носителя для каталитических частиц может быть использован пористый металл. В другом исполнении каталитические частицы нанесены на сотовые структуры, размещенные вокруг реактора, с большим числом каналов для переноса реагентов. В других устройствах каталитические частицы связаны с носителем из спеченных металлических частиц, находящихся в хорошем теплопроводном контакте со стенкой реакционной камеры. Благодаря этому проще управлять температурой стенки и температурами на выходе реакционной камеры.

Известен (Патент США 4285665) двигатель Стирлинга, внешняя камера сгорания которого включает каталитический элемент, представляющий собой монолит, изготовленный из каталитического материала, или носитель, покрытый слоем каталитического материала, и содержащий множество сквозных каналов для горючих газов и топлива. Носитель может быть в виде гофрированных пластинчатых металлических структур или сетчатых металлических структур. Топливо подается на катализатор, происходит сжигание топлива, и поток газообразных продуктов сжигания подается на нагрев нагревательных трубок двигателя Стирлинга.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является двигатель по патенту США 4285665.

К недостаткам прототипа можно отнести сложную конфигурацию нагревательных труб для подачи нагретого газа в цилиндр двигателя, а также относительную удаленность каталитической камеры сгорания от цилиндра, в результате чего перенос тепла от камеры сгорания к нагревательным трубам, и далее к цилиндру не является оптимальным.

Задача, решаемая изобретением - достижение высокотемпературного теплового потока через теплообменную стенку со сравнительно малой поверхностью, а также обеспечение в каталитической камере сгорания высокой эффективности сжигания и в то же время сравнительно низкого сопротивления газовому потоку.

Это достигается тем, что двигатель, включающий камеру сгорания с входным и выходным отверстиями, заполненную трехмерной каталитической структурой, находящийся с ней в тепловом контакте цилиндр с расширяющимся газом, и поршень, выполнен таким образом, что цилиндр расположен внутри камеры сгорания и его боковая поверхность образует внутреннюю теплообменную стенку камеры сгорания. Двигатель может быть дополнительно снабжен вторым поршнем, расположенным в том же цилиндре, с возможностью взаимно противоположного движения поршней. К оси поршня присоединен магнит, совершающий возвратно-поступательное движение внутри обмотки, в результате в обмотке вырабатывается напряжение.

Каталитическая структура внутри камеры сгорания может быть образована пенообразным ячеистым материалом с открытыми ячейками, или радиально расположенными металлическими пластинами, примыкающими к ее внутренней теплообменной стенке, или волокнистым керамическим материалом, или тканью из керамических волокон, или гранулированными частицами, таким образом, чтобы сопротивление газовому потоку было достаточно низким для эффективного тепло-массообмена продуктов сгорания с ячеистой структурой катализатора и поверхностью цилиндра.

Благодаря использованию ячеистой структуры в камере сгорания формируется носитель каталитических частиц с довольно высоким внутренним объемом и с хорошими теплопроводящими свойствами. Кроме того, поток исходной смеси топлива с воздухом или кислородом, а также газообразных продуктов сжигания через камеру сгорания является турбулентным, благодаря чему улучшается перенос тепла к теплообменной стенке. Таким образом появляется возможность при сравнительно небольшом размере камеры сгорания обеспечить высокий поток тепла через теплообменную стенку. Падение давления в трехмерной каталитической структуре сравнительно низкое, вследствие чего потери давления остаются ограниченными при принудительной подаче смеси топлива с воздухом через слой катализатора.

Трехмерная каталитическая структуры является благоприятной для проведения экзотермических реакций, сопротивление камеры сгорания газовому потоку сравнительно низкое, и значение теплового потока через материал теплообменной стенки составляет величину между 1 и 50 кВт/м².

Носитель каталитически активных частиц может быть изготовлен из металла, керамики, высокотемпературных композиционных материалов. Каталитические материалы преимущественно содержат керамическую основу с поверхностью в несколько сотен м² на мм³ объема (вторичный носитель), на которой диспергированы каталитически активные компоненты. При поверхности трехмерной каталитической структуры в соответствии с изобретением между 0,1 м²/л и 0,6 м²/л слой вторичного носителя толщиной, например, от 10 до 100 мкм обеспечивает довольно большую поверхность для каталитического сжигания. Вторичный носитель с высокой поверхностью на металлическом носителе ячеистой структуры может быть сформирован, например, из γ- -оксида алюминия, оксида кремния, оксида циркония, углерода и т.д. Ячеистый носитель и неорганический слой вторичного носителя, согласно изобретению, образуют трехмерную структуру, стабильную по форме, в которой каталитические частицы прочно удерживаются во время эксплуатации.

Отличительные признаки заявляемого двигателя:
цилиндр с расширяющимся газом и поршнем расположен внутри камеры сгорания и боковая поверхность цилиндра образует внутреннюю теплообменную стенку камеры сгорания;
поршень соединен осью с магнитом, расположенным внутри обмотки;
двигатель может содержать два поршня, расположенные в одном цилиндре с возможностью взаимно противоположного движения поршней;
каталитическая структура может быть образована пенообразным ячеистым материалом с открытыми ячейками, или радиально расположенными металлическими пластинами, или волокнистым керамическим материалом, или тканью из керамических волокон, или гранулированными частицами.

Более детально устройство заявляемого двигателя представлено на фиг. 1, 2. Фиг. 1 - схематическое изображение продольного сечения камеры сгорания. Фиг. 2 - схематическое изображение продольного сечения двигателя.

На фиг. 1 изображен продольный разрез камеры сгорания, включающей цилиндрический корпус (1), входное и выходное отверстия (2) для смеси топлива с воздухом и продуктов сгорания, внутреннюю теплообменную стенку (3), образующую цилиндр, внутри которого расположен поршень (4) и расширяющийся газ (5). Между внутренней и внешней цилиндрическими стенками камеры сгорания расположена трехмерная каталитическая структура (6).

На фиг. 2 изображен продольный разрез двигателя в частном случае его выполнения, когда он содержит 2 поршня. Заявляемый двигатель включает камеру сгорания (1), расположенные внутри цилиндра с расширяющимся газом поршни (2). К осям (3) прикреплены магниты (4), вокруг которых расположены обмотки (5). Между поршнями (2) и магнитами (4) установлены пружины (6).

Заявляемый двигатель работает следующим образом. В изображенную на фиг. 1 камеру сгорания через входное отверстие (2) подается смесь топлива с воздухом или кислородом (например, смесь этанола с кислородом, или смеси кислорода с бензином, метаном, пропаном, сжиженным газом и др.) под давлением, предпочтительно равным атмосферному, но которое может быть повышено, например, до 3 - 5 бар. Внутри камеры сгорания на каталитической структуре (6) происходит сгорание реагентов без образования пламени. Через выход (2) происходит выброс продуктов сгорания, главным образом, CO₂ и H₂O. Сжигание топлива в камере происходит при давлении от 1 до 20 бар и температуре от 200 до 700^oC. Через теплообменную стенку (3) переносится образовавшаяся при сжигании топлива теплота. Внутренний цилиндр камеры сгорания (5) заполнен теплопроводным газом, например, гелием, под давлением 20 бар. Расширяющийся газ приводит в движение поршень (4).

Далее рассмотрим работу двигателя, изображенного на фиг. 2. Магнит (4), укрепленный на оси (3) поршня (2) совершает возвратно-поступательное движение (вверх-вниз) внутри обмотки (5). В результате в обмотке вырабатывается напряжение. Двигатель может работать как с одним поршнем, так и с двумя.

При КПД двигателя до 25% в случае работы двигателя с двумя поршнями электрическую мощность 1000 Вт можно вырабатывать путем подачи топлива в камеру сгорания с тепловой мощностью 4 кВт. Температура внутри камеры сгорания составляет не более 700^oC.

В одном из применений заявляемого двигателя в камеру сгорания подается природный газ, который, в частности, используется для обогрева помещений. В случае котла мощностью 30 кВт для отопления частных домов или удаленных объектов можно путем уменьшения мощности на 4 кВт использовать тепловую мощность этого газа для выработки электроэнергии мощностью 1000 Вт. В таком случае электроэнергия вырабатывается по мере необходимости и можно обойтись без ее транспорта.

Сгорание топлива в трехмерной каталитической структуре происходит без образования пламени и полностью исключается образование токсичных продуктов, таких, как оксиды азота и оксид углерода. Экологическая чистота двигателя открывает другие применения в соответствии с изобретением: в транспортных средствах, в особенности для внутрицехового транспорта, в шахтах, подземных выработках, в изолированных помещениях, например, подводных лодках, летательных аппаратах.

Другое применение двигатель в соответствии с изобретением находит в холодильных устройствах, например, в холодильниках или мобильных рефрижераторах.

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива в двигателях Стирлинга и позволяет повысить их эффективность за счет каталитического окисления топлива. Двигатель может применяться для выработки электрической или механической энергии, особенно в тех случаях, когда необходимо беспламенное горение, в транспортных средствах, энергетических установках, работающих в изолированных помещениях, подземных выработках, подводных лодках. Возможно применение двигателя в мобильных холодильных установках. Двигатель включает камеру сгорания с входным отверстием для подачи топливной смеси с воздухом и выходным отверстием для газообразных продуктов сгорания, внутри которой расположен цилиндр с расширяющимся газом и поршень, к которому присоединена ось с магнитом, расположенным внутри обмотки. Цилиндр с поршнем расположен внутри камеры сгорания таким образом, что его боковая поверхность образует внутреннюю теплообменную стенку камеры сгорания. Камера сгорания заполнена трехмерной каталитической структурой, которая может быть образована, например, пенообразным ячеистым носителем с открытыми ячейками или другим, сходным по свойствам носителем. Множество частиц катализатора связано с трехмерным носителем через слой вторичного носителя с высокой удельной поверхностью. Двигатель может быть дополнительно снабжен вторым поршнем, расположенным в том же цилиндре, с возможностью взаимно противоположного движения поршней. 6 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Каталитический двигатель, включающий камеру сгорания с входным и выходным отверстиями, заполненную трехмерной каталитической структурой, находящийся с ней в тепловом контакте цилиндр с расширяющимся газом и поршень, отличающийся тем, что цилиндр и поршень расположены внутри камеры сгорания и боковая поверхность цилиндра образует внутреннюю теплообменную стенку камеры сгорания, а к поршню присоединена ось с магнитом, расположенным внутри обмотки. 2. Каталитический двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен вторым поршнем, расположенным в том же цилиндре с возможностью взаимно противоположного движения поршней. 3. Каталитический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трехмерная каталитическая структура образована пенообразным ячеистым материалом с открытыми ячейками. 4. Каталитический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трехмерная каталитическая структура образована радиально расположенными металлическими перфорированными пластинами, примыкающими к внутренней теплообменной стенке камеры сгорания. 5. Каталитический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трехмерная каталитическая структура образована волокнистым керамическим материалом. 6. Каталитический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трехмерная каталитическая структура образована тканью из керамических волокон. 7. Каталитический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что трехмерная каталитическая структура образована гранулированными частицами.