АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2001 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.

Известен процесс беспламенного каталитического окисления продуктов неполного сгорания (CO, CH) и конструкция каталитических нейтрализаторов окисления на основе Pt, Pd, Cu, Cr и др. (Новиков Л.А. Юрченко Э.Н., Шляхтов В. А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций. // Двигателестроение, 1995, N 182, с. 72-77).

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. - 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 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 щелочно-земельного 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. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2. - С. 314-327).

Известно взаимодействие щелочно-земельного металла магния с сухим и влажным азотом (Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - С. 34-38).

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 В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - С. 213-214).

Известен способ обеспечения работы дизеля по замкнутому циклу в среде азота, при котором выпускные газы двигателя охлаждаются в охладителе, при этом водяной пар, содержащийся в газах, конденсируется и удаляется из цикла, а температура газа понижается до уровня, необходимого для поглощения углекислоты раствором едкого калия в скруббере:
CO₂ + 2KOH = H₂O + K₂CO₃;
K₂CO₃ + H₂O + CO₂ = 2K(HCO₃)
(Батырев А. Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994. - С. 196-197).

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 -1270 К 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 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.).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на "синтез-газе" с машиной Вюлемье - Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, и реактором с щелочно-земельным металлом, 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 ТАВ, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя.

Для достижения данного технического результата анаэробная энергохолодильная система, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье - Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавших газов дизеля, и реактор с щелочно-земельным металлом, снабжена контуром газообразного окислителя - кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, подающих компоненты топлива в камеру сгорания дизеля, при этом в дизельной энергоустановке замкнутого цикла дополнительно установлены каталитический нейтрализатор и реактор с химическим поглотителем.

Введение в состав анаэробной энергохолодильной системы газообразных контуров кислорода, азота и водорода, а также каталитического нейтрализатора и реактора с химическим поглотителем в дизельную энергоустановку замкнутого цикла позволяет получать новое свойство, заключающееся в возможности длительного хранения газообразного окислителя (кислорода) без потерь и исключении устройств для переконденсации выпара жидкого кислорода, а также повышение КПД дизеля за счет использования водородсодержащего горючего.

На чертеже изображена анаэробная энергохолодильная система.

Энергохолодильная система в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, каталитического нейтрализатора 2, реактора 3 с накопителем твердой фазы 4, бункера со щелочно-земельным металлом 5, сепаратора 6, охладителя 7, скруббера (реактора) для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 8, компрессора 9, смесителя 10, а также емкости хранения технической воды и сбора конденсата 11, насоса подачи технической воды 12, запорно-регулирующего вентиля 13, машину Вюлемье - Такониса 14 с нагревателем 15, а также разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость для его хранения 16 и запорно-регулирующий вентиль 17, разомкнутый контур газообразного водорода, который включает емкость для его хранения 19 и запорно-регулирующий вентиль 18, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 20, запорно-регулирующий вентиль 21, редуктор (регулятор давления) 22.

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 16, 19, 20, технической воды в емкости 11 и щелочно-земельного металла, например магния, в бункере 5.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя (азота из емкости 16) и топлива (водорода из емкости 19) через смеситель 10. В конце такта сжатия в камеру сгорания (не показана) двигателя 1 подается газообразный кислород из емкости 20 через запорно-регулирующий вентиль 21 и регулятор давления 22 под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания дизеля 1. Процесс сгорания происходит постепенно, по мере поступления кислорода в камеру сгорания, и заканчивается в момент выгорания водорода либо прекращения подачи кислорода.

Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота и его окислов, непрореагировавшего кислорода, паров воды, а также некоторого количества CO и CH, обусловленного выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит доокисление продуктов неполного сгорания в CO₂ и H₂O_пар, поступают в реактор 3, куда из бункера 5 одновременно подается щелочно-земельный металл, например магний.

В реакторе 3 протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO + C и газовая N₂ + H₂ + CO + H₂O_пар + CO₂ фазы, сопровождающиеся выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1500 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе 6. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал, передавая теплоту рабочему телу машины Вюлемье - Такониса 14 через нагреватель 15, направляется в охладитель 7, в котором отработавшие газы охлаждаются, а водяной пар конденсируется и выводится из цикла в емкость 11 и затем через реактор 8 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 9 и смеситель 10 подаются на впуск дизеля 1.

Вода из емкости 11, насосом 12, через запорно-регулирующий вентиль 13 и накопитель твердой фазы 4, воспринимая теплоту от твердой фазы и превращаясь в пар, поступает в реактор 3, в котором вместе с отработавшими газами дизеля 1 взаимодействует с магнием.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 16, водорода из емкости 19 путем закрытия вентилей 17 и 18 соответственно, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на постоянной по составу рабочей смеси азота, водорода и окиси углерода (N₂ + H₂ + CO).

Источники информации
1. Новиков Л.А., Юрченко Э.Н., Шляхтов В.А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций. // Двигателестроенне, 1995. - N 182. - С. 72-77.

2. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. - М.: Машиностроение, 1978. - С. 305.

3. Описание изобретения к патенту РФ N 2013588.

4. Окисление металлов. / Под ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2. - С. 314-327.

5. Самсонов Г. В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - С. 34-38.

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

7. Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994. - С. 196 и 197.

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

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

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

Анаэробная энергохолодильная система включает дизельную установку замкнутого цикла с машиной Вюлемье - Такониса и реактор с щелочно-земельным металлом. Контур газообразного окислителя - кислорода, контур газообразного азота и контур газообразного водорода подают компоненты топлива в камеру сгорания дизеля. В дизельной энергоустановке дополнительно установлены каталитический нейтрализатор и реактор с химическим поглотителем. Использование изобретения позволит сократить объемы хранилищ теплоаккумулирующего вещества, повысить КПД дизеля, снизить затраты на хранение окислителя. 1 ил.

Анаэробная энергохолодильная система, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье - Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавших газов дизеля, и реактор с щелочноземельным металлом, отличающаяся тем, что снабжена контуром газообразного окислителя - кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, подающими компоненты топлива в камеру сгорания дизеля, при этом в дизельной энергоустановке замкнутого цикла дополнительно установлены каталитический нейтрализатор и реактор с химическим поглотителем.