АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА И ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИМ ТОПЛИВОМ Российский патент 2001 года по МПК F25B27/02 

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

Известны схема и принцип работы пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя парогенератор, эжектор, в который поступает рабочая среда из парогенератора и холодильника, холодильник (испаритель), конденсатор, откуда рабочая среда поступает в парогенератор и холодильник, питательный насос перед парогенератором и дроссельный вентиль перед холодильником, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в парогенераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) - в холодильнике (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника./Учеб. для хим.-техн. вузов/. М. : "Высшая школа", 1986, стр. 105). Однако для повышения эффективности холодильной машины в ее состав целесообразно включить пароперегреватель.

Известна энергетическая установка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга и тепловую машину, работающую за счет теплоты отработанных газов двигателя и генерирующую холод для снижения минимальной температуры цикла двигателя Стирлинга (Патент РФ N 2099564, F 02 G 5/00. Бюл. N 35 от 20.12.97). Однако данная установка связана с атмосферой воздуха и осуществляет выброс отработавших газов в окружающую среду.

Известно устройство автономной энергоустановки с двигателем Стирлинга, включающее в себя двигатель Стирлинга, нагреватель которого размещен в камере сгорания, источник кислорода - емкость с жидким кислородом, источник водорода - емкость с жидким водородом, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата (Заявка на изобретение РФ N 96116770. Бюл. N 32 от 20.11.98, F 02 G 1/04). Однако в данном устройстве нагреватель двигателя Стирлинга размещен в камере сгорания, что снижает долговечность работы этого узла при работе на водородном горючем.

Известно устройство анаэробной энергохолодильной установки с двигателем Стирлинга, включающее в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, совмещенную с нагревателем двигателя, источник кислорода, выполненный в виде емкости с жидким кислородом, источник водорода, выполненный в виде системы генерации водорода на основе гидрида металла, контур охлаждения двигателя, содержащий насос и теплообменник-холодильник, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата (Заявка на изобретение РФ N 96116460, Бюл. N 29 от 20.10.98, F 02 G 1/04). Однако в данном устройстве нагреватель двигателя Стирлинга размещен в камере сгорания, что снижает долговечность работы этого устройства на водородном горючем, а также при длительном хранении жидкого кислорода необходима система для переконденсации выпаров.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении долговечности работы нагревателя двигателей Стирлинга, в получении дополнительной низкопотенциальной энергии в виде холода для систем холодоснабжения специального объекта, снижении эксплуатационных затрат при длительном хранении кислорода.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом включает в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, источник кислорода, выполненный в виде емкости с газом высокого давления, источник водорода, выполненный в виде системы генерации водорода на основе гидрида металла, контур охлаждения, содержащий насос и теплообменник-холодильник, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата снабжена линией подвода газообразного кислорода с регулирующими вентилями, линией подвода газообразного водорода с регулирующим вентилем и компрессором, пароэжекторной холодильной машиной с пароперегревателем, линией возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором, при этом линия отвода продуктов сгорания последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга, пароперегреватель и парогенератор пароэжекторной холодильной машины и связывает камеру сгорания, выполненную с палладиевым катализатором, с емкостью для хранения конденсата, а также замкнутым контуром нагрева системы генерации водорода, содержащим насос, теплообменник-нагреватель и электронагреватель, причем контур охлаждения двигателя проходит через теплообменник-нагреватель замкнутого контура нагрева системы генерации водорода, а через теплообменник-холодильник контура охлаждения двигателя проходит магистраль с охлаждающей водой.

Введение в состав анаэробной энергоустановки с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом источника кислорода, выполненного в виде емкости с газом высокого давления, линий подвода газообразных компонентов топлива (кислорода и водорода), пароэжекторной холодильной машины с пароперегревателем, линии отвода продуктов сгорания, последовательно проходящих через нагреватель двигателя Стирлинга, пароперегреватель и парогенератор пароэжекторной холодильной машины, связывающей камеру сгорания с емкостью для хранения конденсата, а также линии возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания, замкнутого контура нагрева системы генерации водорода с электронагревателем и теплообменником-нагревателем, через который проходит контур охлаждения двигателя, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования теплового потенциала продуктов сгорания (смеси паров воды и водорода) для получения механической энергии в двигатели Стирлинга и холода в пароэжекторной холодильной машине, а также снижение затрат на хранение кислорода за счет его перевода из криогенного состояния в газообразное при высоком давлении.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом.

Анаэробная энергоустановка включает в себя емкость с газообразным кислородом высокого давления 1, систему генерации водорода 2, линию подачи кислорода 3 с регулирующим вентилем 4, линию подачи водорода 5 с регулирующим вентилем 6 и компрессором 7, камеру сгорания с палладиевым катализатором 8, двигатель Стирлинга 9 с нагревателем 10, пароэжекторную холодильную машину 11 с парогенератором 12 и пароперегревателем 13, линию отвода продуктов сгорания 14, последовательно проходящую через нагреватель 10 двигателя Стирлинга 9, пароперегреватель 13 и парогенератор 12 пароэжекторной холодильной машины 11 и связывающую камеру сгорания 9 с емкостью для хранения конденсата 15, а также линию возврата остаточного водорода 16 из емкости хранения конденсата 15 в камеру сгорания 8 с расположенным на ней компрессором 17, контур охлаждения 18 двигателя 9, содержащий насос 19 и теплообменник-холодильник 20, через который проходит магистраль 21 с охлаждающей водой, замкнутый контур 22 нагрева системы генерации водорода 2, содержащий насос 23, электронагреватель 24 и теплообменник-нагреватель 25, через который проходит контур охлаждения 18.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом работает следующим образом.

В период функционирования специального объекта в анаэробном режиме (без связи с воздухом атмосферы) из емкости 1 и системы генерации водорода 2 по линиям 3 и 5 через регулирующие вентили 4 и 6 в камеру сгорания 8 подаются соответственно кислород и водород. Источником тепла служит водород, сгорающий в кислороде в камере 8 с палладиевым катализатором. При горении образуются водяные пары. Давление в процессе горения поддерживается за счет водорода, подаваемого компрессором 7. Продукты сгорания (пары воды и водород при температуре около 1000 K) по линии 14 сначала подаются в нагреватель 10 двигателя Стирлинга 9, где передают часть своей теплоты рабочему телу двигателя 9, за счет чего генерируется полезная механическая энергия, а затем проходят через пароперегреватель 13 и парогенератор 12 пароэжекторной холодильной машины 11, где отдают остаточную часть своей тепловой энергии рабочему теплу холодильной машины 11, обеспечивая ее работу, в результате чего генерируется холод, расходуемый на нужды специального объекта, при этом пары из продуктов сгорания конденсируются. При выходе из парогенератора 12 компоненты продуктов сгорания по линии 14 поступают в емкость для хранения конденсата 15, где конденсат паров воды сливается на дно емкости, а газообразный водород с помощью компрессора 17 по линии подачи оставшегося водорода 16 подается в камеру сгорания 8.

Для снятия тепловой нагрузки с двигателя Стирлинга 9 предусмотрен контур охлаждения 18, по которому насосом 19 теплоноситель подается сначала в теплообменник-нагреватель 25, где передает часть своей теплоты в замкнутый контур 22, а затем охлаждается в теплообменнике-холодильнике 20 за счет теплообмена с охлаждающей водой, проходящей по магистрали 21. Замкнутый контур нагрева 22 предназначен для передачи тепловой энергии от контура охлаждения 18 к системе генерации водорода 2. Для этой цели теплоноситель, получив теплоту от контура охлаждения 18 в теплообменнике-нагревателе 25, с помощью насоса 23 подается в систему генерации водорода 2. Для увеличения тепловой нагрузки на систему 2 (увеличения выхода водорода) предназначен электронагреватель 24.

В анаэробной энергоустановке источник водорода выполнен в виде системы генерации водорода на основе гидрида металла. Контур охлаждения двигателя содержит насос и теплообменник-холодильник и проходит через теплообменник-нагреватель замкнутого контура нагрева системы генерации водорода. Линия отвода продуктов сгорания последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга, пароперегреватель и парогенератор пароэжекторной холодильной машины и связывает камеру сгорания с емкостью для хранения конденсата. Замкнутый контур нагрева системы регенерации водорода содержит насос, теплообменник-нагреватель и электронагреватель. Использование изобретения позволит повысить долговечность работы нагревателя двигателя Стирлинга и получить дополнительную низкопотенциальную энергию для систем холодоснабжения специального объекта. 1 ил.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом, включающая в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, источник кислорода, источник водорода, выполненный в виде системы генерации водорода на основе гидрида металла, контур охлаждения двигателя, содержащий насос и теплообменник-холодильник, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата, отличающаяся тем, что источник кислорода выполнен в виде емкости с газом высокого давления, а установка снабжена линией подвода газообразного кислорода с регулирующим вентилем, линией подвода газообразного водорода с регулирующим вентилем и компрессором, пароэжекторной холодильной машиной с пароперегревателем, линией возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором, при этом линия отвода продуктов сгорания последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга, пароперегреватель и парогенератор пароэжекторной холодильной машины и связывает камеру сгорания, выполненную с палладиевым катализатором, с емкостью для хранения конденсата, а также замкнутым контуром нагрева системы генерации водорода, содержащим насос, теплообменник-нагреватель и электронагреватель, причем контур охлаждения двигателя проходит через теплообменик-нагреватель замкнутого контура нагрева системы генерации водорода, а через теплообменник-холоднильник контура охлаждения двигателя проходит магистраль с охлаждающей водой.