АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА 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 и глубоководных аппаратов.

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее в себя камеру сгорания, нагреватель, регенератор, холодильник и поршневую группу (Г. Ридер., Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга, М., Изд. "Мир", 1986, стр. 55).

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 работы данной холодильной машины необходим источник пара высокого давления.

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, а также при длительном хранении жидкого кислорода и водорода необходимы системы для переконденсации выпаров этих газов.

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

Для достижения этого технического результата анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, источник кислорода и источник водорода, выполненных в виде емкостей с газом высокого давления, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата, снабжена линиями подвода газообразных компонентов топлива, кислорода и водорода, с регулирующими вентилями, при этом линия отвода продуктов сгорания связывает камеру сгорания, выполненную с палладиевым катализатором, с емкостью для хранения конденсата и последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга и расположенные на ней эжектор, конденсатор и водяной насос, а также линией возврата остаточного водорода из конденсатора в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором, при этом участок линии отвода продуктов сгорания, расположенный между конденсатором и водяным насосом, связан с эжектором обводной линией, содержащей дроссельный клапан и испаритель, через который проходит магистраль системы холодоснабжения объекта.

Введение в состав анаэробной энергоустановки с двигателем Стирлинга источников кислорода и водорода, выполненных в виде емкостей с газом высокого давления, линий подвода газообразных компонентов топлива (кислорода и водорода) с регулирующими вентилями, линии отвода продуктов сгорания с расположенными на ней эжектором, конденсатором и водяным насосом, проходящей через нагреватель двигателя Стирлинга и связывающей камеру сгорания, выполненную с палладиевым катализатором, с емкостью для хранения конденсата, а также линии возврата остаточного водорода из конденсатора в камеру сгорания и обводной линии, связывающей участок линии отвода продуктов сгорания, расположенный между конденсатором и водяным насосом, с эжектором и содержащей дроссельный клапан и испаритель, через который проходит магистраль системы холодоснабжения объекта, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования теплового потенциала продуктов сгорания (смеси паров воды и водорода) для получения механической энергии в двигателе Стирлинга и холода в испарителе, а также снижение затрат на хранение компонентов топлива за счет их перевода из криогенного состояния в газообразное при высоком давлении.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга.

Анаэробная установка включает в себя емкость с газообразным кислородом высокого давления 1, емкость с газообразным водородом высокого давления 2, линию подачи кислорода 3 с регулирующим вентилем 4, линию подачи водорода 5 с регулирующим вентилем 6, камеру сгорания с палладиевым катализатором 7, двигатель Стирлинга 8 с нагревателем 9 и потребителем мощности 10, расположенным на одном валу с двигателем 8, линию отвода продуктов сгорания 11, проходящую через нагреватель 9 двигателя Стирлинга 8, содержащую эжектор 12, конденсатор 13, водяной насос 14 и связывающую камеру сгорания 7 с емкостью для хранения конденсата 15, а также линию возврата остаточного водорода 16 из конденсатора 13 в камеру сгорания 7 с расположенным в ней компрессором 17, причем участок линии отвода продуктов сгорания 11, расположенный между конденсатором 13 и водным насосом 14, связан с эжектором 12 обводной линией 18, содержащей дроссельный клапан 19 и испаритель 20, через который проходит магистраль 21 системы холодоснабжения специального объекта. Для конденсирования паров воды в конденсатор 13 по магистрали 22 подается охлаждающая техническая вода.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

В период функционирования специального объекта в анаэробном режиме (без связи с воздухом атмосферы) из емкостей 1 и 2 по линиям 3 и 5 через регулирующие вентили 4 и 6 в камеру сгорания 7 подаются соответственно кислород и водород. Источником тепла служит водород, сгорающий в кислороде в камере 7 с палладиевым катализатором. При горении образуются водяные пары, которые отводятся из камеры сгорания 7 по линии отвода продуктов сгорания 11. Давление в линии отвода продуктов сгорания 11 поддерживается за счет водорода, необходимое количество которого добавляется в камеру сгорания 7. Продукты сгорания (пары воды и водород при температуре около 1000 K) по линии 11 сначала подаются в нагреватель 9 двигателя Стирлинга 8, где передают часть своей теплоты рабочему телу двигателя 8, за счет чего генерируется полезная механическая энергия, воспринимаемая потребителем 10, а затем поступают под давлением в эжектор 12, за счет чего из испарителя 20 по обводной линии 18 отсасываются пары воды с понижением давления в испарителе 20. После этого продукты сгорания (смесь паров воды и водорода) поступают в конденсатор 13, где пары воды конденсируются за счет теплообмена с технической водой, проходящей по магистрали 22, при этом часть конденсата с помощью водяного насоса 14 подается в емкость для хранения конденсата 15, а другая часть, проходя по обводной линии 18, через дроссельный вентиль 19 поступает в испаритель 20. За счет низкого давления в испарителе 20 часть конденсата испаряется, а другая часть охлаждается. Полученный холод передается теплоносителю системы холодоснабжения объекта, проходящему через магистраль 21. Из конденсатора 13 остаточный водород по линии 16 с помощью компрессора 17 возвращается в камеру сгорания 7.

В анаэробной установке с двигателем Стирлинга источники кислорода и водорода выполнены в виде емкостей с газом высокого давления. Линия отвода продуктов сгорания связывает камеру сгорания с емкостью для хранения конденсата и последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга и расположенные на ней эжектор, конденсатор и водяной насос. На линии возврата остаточного водорода из конденсатора в камеру сгорания расположен компрессор. Участок линии отвода продуктов сгорания, расположенный между конденсатором и водяным насосом, связан с эжектором обводной линией. Обводная линия содержит дроссельный клапан и испаритель. Через испаритель проходит магистраль системы холодоснабжения объекта. Использование изобретения позволит повысить долговечность работы нагревателя двигателя Стирлинга и получить дополнительную низкопотенциальную энергию. 1 ил.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, источник кислорода, источник водорода, линию отвода продуктов сгорания, емкость для хранения конденсата, отличающаяся тем, что источники кислорода и водорода выполнены в виде емкостей с газом высокого давления, а установка снабжена линиями подвода газообразных компонентов топлива, кислорода и водорода с регулирующими вентилями, при этом линия отвода продуктов сгорания связывает камеру сгорания, выполненную с палладиевым катализатором, с емкостью для хранения конденсата и последовательно проходит через нагреватель двигателя Стирлинга и расположенные на ней эжектор, конденсатор и водяной насос, а также линией возврата остаточного водорода из конденсатора в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором, причем участок линии отвода продуктов сгорания, расположенный между конденсатором и водяным насосом, связан с эжектором обводной линией, содержащей дроссельный клапан и испаритель, через который проходит магистраль системы холодоснабжения объекта.