АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F25B27/02 F02B47/10 

Описание патента на изобретение RU2168680C1

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 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. Перспективы применения водорода и метанола в качестве моторных топлив. // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10.).

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 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. (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, с. 305).

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

Известно взаимодействие гидридов щелочных и щелочноземельных металлов с водой с выделением газообразного водорода, например
LiH + H2O = LiOH + H2
(Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 22).

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 +4oC, 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.).

Известно устройство электрогенератора с двигателем с внешним подводом теплоты, выполненного в виде двигателя "Флюидайн" (Патент РФ N 2133360. Бюл. N 20 от 20.07.99, F 02 G 1/00).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на "синтез-газе", машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших 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, жидкого углеводородного топлива, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя, получении дополнительной полезной энергии.

Для достижения данного технического результата, анаэробная энергохолодильная установка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающих снабжение дизеля горючим и окислителем, а также контуром двигателя с внешним подводом теплоты, связанным с реактором генерации водорода.

Введение в состав анаэробной энергохолодильной установки контуров кислорода, азота, водорода и технической воды, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности длительного хранения газообразного окислителя (кислорода) без потерь и исключении устройств для переконденсации выпара жидкого кислорода, повышение КПД дезеля за счет использования водородосодержащего горючего, а также получение дополнительной полезной энергии.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка замкнутого цикла.

Энергоустановка в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания 2, машины Вюлемье-Такониса 3, через нагреватель 4 которой проходят отработавшие газы, охладителя 5, скруббера (реактора) для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 6, компрессора 7, смесителя 8, а также разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость для его хранения 9 и запорно-регулирующий вентиль 10, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 11 и запорно-регулирующий вентиль 12, контур технической воды, включающий в себя емкости для хранения технической воды и сбора конденсата 13, насос подачи технической воды 14 и запорно-регулирующий вентиль 15, контур газообразного водорода, содержащий реактор генерации водорода 16, запорно-регулирующий вентиль 17 и компрессор 18, контур теплового двигателя с внешним подводом теплоты, состоящего из электрогенератора с двигателем "Флюдиайн" 19 и контура промежуточного теплоносителя 20, проходящего через реактор генерации водорода 16.

Анаэробная энергохолодильная установка работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем запасается необходимое (расчетное) количество газообразных продуктов - азота, кислорода, соответственно в емкостях 9, 11, а также технической воды в емкости 13 и гидрида металла (например лития, LiH).

Перед переключением дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой из емкости 13 насосом 14 через запорно-регулирующий вентиль 15 в реактор 16 подается расчетное количество технической воды. Одновременно в реактор 16 подается гидрид металла, например лития, и в нем генерируется топливо - водород.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя - азота из емкости 9 и окислителя - кислорода из емкости 11 через смеситель 8. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный водород из реактора 16 через запорно-регулирующий вентиль 17 и компрессор 18 под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (на чертеже не показаны) дизеля 1.

Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота и его окислов, не прореагировавшего кислорода, паров воды, а также некоторого количества CO и CH, обусловленного выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, поступают через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит доокисление продуктов неполного сгорания в CO3 и H2O(пар), в нагреватель 4 машины Вюлемье-Такониса 3, в которой отрабатывают свой термодинамический потенциал, далее в охладитель 5, в котором водяной пар охлаждается, конденсируется и выводится из цикла в емкость 13, и затем через реактор 6 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 7 и смеситель 8, в котором газовая смесь обогащается кислородом до необходимой концентрации, подается на впуск дизеля.

Выведенный из цикла в емкость 13 конденсат водяного пара насосом 14 через запорно-регулирующий вентиль 15 подается в реактор 16, в котором взаимодействует с гидридом металла (например, LiH) с образованием водородного топлива. Водород через вентиль 17 компрессором 18 непосредственно впрыскивается в камеру сгорания дизеля в конце такта сжатия.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 9, путем закрытия вентиля 10, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N2 + NO + О2).

Для охлаждения реактора 16 и получения дополнительной полезной энергии (в виде механической или электрической) в состав анаэробной энергохолодильиой установки введен контур двигателя с внешним подводом теплоты, выполненного в виде электрогенератора с двигателем "Флюидайн" 19. Теплота реакции из реактора 16 к двигателю "Флюидайн" 19 передается с помощью контура промежуточного теплоносителя 20.

Источники информации
1. Мищенко А. И. Перспективы применения водорода и метанола в качестве моторных топлив // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10.

2. 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.

3. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, с. 305.

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

5. Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 22).

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

7. Патент РФ 2133360. Бюл. N 20 от 20.07.99, F 02 G 1/00.

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

Похожие патенты RU2168680C1

название год авторы номер документа
АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТОПЛИВА 1999
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2159396C1
АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА 2000
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2166706C1
АНАЭРОБНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА 1999
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2165029C1
АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА 2000
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2171956C1
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ 2000
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2176054C1
ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ 2000
  • Кириллов Н.Г.
  • Дыбок В.В.
  • Воскресенский С.С.
RU2176055C1
ДИЗЕЛЬНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА 2002
  • Кириллов Н.Г.
  • Воскресенский С.С.
  • Дыбок В.В.
  • Лямин В.А.
RU2214569C1
ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 2002
  • Кириллов Н.Г.
  • Воскресенский С.С.
  • Дыбок В.В.
RU2214568C1
АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДИЗЕЛЕМ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ 2002
  • Кириллов Н.Г.
  • Воскресенский С.С.
  • Дыбок В.В.
  • Лямин В.А.
RU2214565C1
ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДИЗЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ 2002
  • Кириллов Н.Г.
  • Воскресенский С.С.
  • Дыбок В.В.
  • Лямин В.В.
RU2214567C1

Реферат патента 2001 года АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. В дизель подается газовая смесь (азот, окись азота и кислород), охлажденная в охладителе, очищенная от двуокиси углерода в реакторе и обогащенная окислителем (кислородом) в смесителе. Отработавшие газы дизеля, обладая высоким термодинамическим потенциалом, поступают в нагреватель холодильной машины Вюлемье-Такониса. Выхлопные газы дизеля циркулируют в замкнутом цикле. Сконденсировавшаяся вода, выведенная из цикла, насосом подается в реактор, в котором взаимодействует с гидридом металла с образованием водородного горючего, которое компрессором впрыскивается в камеру сгорания дизеля. Дополнительная электрическая энергия получается за счет остаточной теплоты реактора в электрогенераторе с двигателем "Флюидайн". Использование изобретения позволит повысить КПД дизеля и снизить, эксплуатационные затраты при хранении окислителя. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 168 680 C1

Анаэробная энергохолодильная установка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, отличающаяся тем, что снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающими снабжение дизеля горючим и окислителем, а также контуром двигателя с внешним подводом теплоты, связанным с реактором генерации водорода.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2168680C1

ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА 1995
  • Кириллов Николай Геннадьевич
  • Дыбок Василий Васильевич
  • Воскресенский Сергей Станиславович
RU2088864C1
СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ЗАМКНУТОМУ ЦИКЛУ 1994
  • Сайданов Виктор Олегович
  • Дыбок Василий Васильевич
RU2086781C1
ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА 2004
  • Костицын Валентин Иванович
RU2274786C1
GB 1513958 А, 14.06.1978
US 5291735 А, 08.03.1994
Пожарный двухцилиндровый насос 0
  • Александров И.Я.
SU90A1

RU 2 168 680 C1

Авторы

Кириллов Н.Г.

Дыбок В.В.

Воскресенский С.С.

Даты

2001-06-10Публикация

2000-02-28Подача