АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК F25B27/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например для специальных фортификационных сооружений и подводных лодок.

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 не разрушающие 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 (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, - стр. 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 углерода (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 к патенту РФ N 2013588).

Известно окисление щелочноземельного металла магния в кислороде, в сухом и влажном воздухе, в углекислом газе. Известен способ получения водорода в результате взаимодействия щелочноземельного металла магния с водяным паром по реакции Mg + H₂O = MgO + H₂ при 425-575^oC (Окисление металлов / Под. ред. Ж. Бенара. Перевод с французского. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314-327).

Известны химические свойства нитрида магния и реакции его взаимодействия с водяным паром, двуокисью и окисью углерода при высоких температурах (Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук B.C., Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978, -с. 213-214).

Известен способ организации рабочего процесса дизеля на водородном топливе для повышения КПД дизеля и уменьшения концентрации вредных компонентов выхлопа, при котором водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встроенным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включается на режимах пуска и прогрева дизеля, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 1170 - 1270К за счет выделяющегося при сгорании топлива тепла (Мищенко А.И. // Автомобильная промышленность. 1986. N 11. С. 8-10).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющих 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 TAB за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако, и в этом случае запасы TAB 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.).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на "синтез-газе", машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработанных газов дизеля, разомкнутый контур с криогенным окислителем (патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г.). Однако длительное хранение криогенного окислителя требует значительных затрат на переконденсацию выпара окислителя или приводит к его потере, а работа дизеля на "синтез-газе" приводит к снижению КПД.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в сокращении объемов хранилищ TAB, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя.

Для достижения данного технического результата анаэробная энергохолодильная система с регенерацией топлива, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла, машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработанных газов дизеля, снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, при этом в замкнутом цикле дизельной энергоустановки генерируется водородосодержащее горючее.

Введение в состав анаэробной энергохолодильной системы с регенерацией топлива газообразных контуров кислорода, азота и водорода позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности длительного хранения газообразного окислителя (кислорода) без потерь и исключении устройств для переконденсации выпара жидкого кислорода, а также повышении КПД дизеля за счет использования водородосодержащего горючего.

На чертеже изображена анаэробная энергохолодильная система с регенерацией топлива.

Энергохолодильная система в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, реактора 2 с накопителем твердой фазы 3, бункера со щелочноземельным металлом 4, сепаратора 5, охладителя 7, смесителя 8, а также емкости хранения технической воды и сбора конденсата 9, насоса подачи технической воды 10 и запорно-регулирующего вентиля 11, машину Вюлемье-Такониса 12, соединенную с контуром дизельной энергоустановки замкнутого цикла через нагреватель 6, разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость для его хранения 13 и запорно-регулирующий вентиль 14, разомкнутый контур газообразного водорода, который включает емкость для его хранения 15 и запорно-регулирующий вентиль 16, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 17, запорно-регулирующие вентили 18 и 20, редукторы (регуляторы давления) 19 и 21.

Анаэробная энергохолодильная система работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой в нем запасается необходимое (расчетное) количество газообразных продуктов - азота, водорода, кислорода соответственно в емкостях 13, 15, 17.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя (азота из емкости 13) и топлива (водорода из емкости 15) через смеситель 8. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный кислород из емкости 17 через запорно-регулирующий вентиль 18 и регулятор давления 19 под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (на чертеже не показана) дизеля 1. Процесс сгорания происходит постепенно, по мере поступления кислорода в камеру сгорания, и заканчивается в момент выгорания водорода.

Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота и его окислов, непрореагировавшего кислорода, паров воды, а также некоторого количества СО и CH, обусловленного выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, поступают через накопитель твердой фазы 3 в реактор 2, куда из бункера 4 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний.

Для окисления продуктов неполного сгорания углеводородных смазок и для поддержания устойчивого режима протекания реакций в реактор подается некоторое количество кислорода из емкости 17 через запорно-регулирующий вентиль 20 и регулятор давления 21.

В реакторе 12 протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO + С и газовая N₂ + H₂ + H₂О_(пар) фазы, сопровождающиеся выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000- 1500К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе 5. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал, передавая теплоту рабочему телу машины Вюлемье-Такониса 12 через нагреватель 6. После охлаждения и конденсации паров воды в охладителе 7 газовая фаза, состоящая из смеси азота N₂ и водорода H₂, направляется на впуск двигателя. Охлаждение газовой фазы в охладителе 7 необходимо для обеспечения расчетного наполнения цилиндров дизеля рабочим телом.

Вода из емкости 9 насосом 10 через вентиль 11 впрыскивается в цилиндры дизеля 1 непосредственно перед подачей смеси N₂ + H₂ с целью снижения температуры стенок цилиндра, осуществления продувки цилиндров образующимся водяным паром и с целью снижения концентрации NO_x в отработавших газах дизеля.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 13, водорода из емкости 15 путем закрытия вентилей 14 и 16 соответственно, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на постоянной по составу рабочей смеси азота и водорода (N₂ + H₂).

Источники информации
1. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, - стр. 305.

2. Описание изобретения к патенту РФ N 2013588.

3. Окисление металлов / Под ред. Ж. Бенара. Перевод с французского. - М. : Металлургия, 1969. - Т. 2, - с. 314-327.

4. Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук B.C., Получение и методы анализа нитридов.-Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - С.213-214.

5. Мищенко А.И. // Автомобильная промышленность. 1986. N 11. С. 8-10.

6. Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992,- 240 с.

7. Патент РФ N 208864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г. - прототип.

В анаэробной энергохолодильной системе с регенерацией топлива работа машины Вюлемье-Такониса осуществляется за счет теплоты отработанных газов дизеля. Система включает контур газообразного окислителя - кислорода, контур газообразного азота и контур газообразного водорода. В замкнутом цикле дизельной энергоустановки генерируется водородосодержащее горючее. Использование изобретения позволит сократить объемы хранилищ теплоаккумулирующих веществ, повысить КПД дизеля, снизить затраты на хранение окислителя. 1 ил.

Анаэробная энергохолодильная система с регенерацией топлива, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла, машину Вюлемье - Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты отработанных газов дизеля, отличающаяся тем, что снабжена контуром газообразного окислителя - кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, при этом в замкнутом цикле дизельной энергоустановки генерируется водородосодержащее горючее.