АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА Российский патент 2001 года по МПК F25B27/02 F02B47/10 

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).

Известна схема пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя парогенератор, эжектор, холодильник, конденсатор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляются в парогенераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) - в холодильнике (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим. -тех. вузов. М.: "Высшая школа", 1986, стр. 105). Однако, для работы пароэжекторной холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты для образования перегретого пара.

Известен способ обеспечения работы дизеля по замкнутому циклу в среде азота, при которой 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 кали 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 водяным паром при повышенных температурах с выделением газообразного водорода, например; LiH + H₂O = LiOH + H₂; LiH + LiOH = Li₂O + H₂; CaH₂ + H₂O = CaO + 2H₂. (Гидриды металлов. Под редакцией В. Мюллера, Д. Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 18-24).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие 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 щелочноземельным реактором и машиной 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 ТАВ, жидкого углеводородного топлива, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя, получении дополнительной полезной энергии.

Для достижения данного технического результата, анаэробная энергоустановка замкнутого цикла, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с теплоиспользующей холодильной машиной, выполненной в виде пароэжекторной холодильной машины, снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающих снабжение дизеля горючим и окислителем, при этом парогенератор пароэжекторной холодильной машины расположен в реакторе генерации водорода, а дизельная энергоустановка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, теплообменником-подогревателем и реактором с химическим поглотителем.

Введение в состав анаэробной энергоустановки замкнутого цикла 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, повышении КПД дизеля за счет использования водородосодержащего горючего, а также генерации холода за счет теплоты отработавших газов дизеля.

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, теплообменника-подогревателя 3, охладителя 4, скруббера (реактора) для химического поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 5, компрессора 6, смесителя 7, а также разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость дня его хранения 8 и запорно-регулирующий вентиль 9, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 10 и запорно-регулирующий вентиль 11, подпиточную линию воды 12 от системы охлаждения дизеля с запорно-регулирующим вентилем 13, контур технической воды, включающий в себя емкость для хранения технической воды и сбора конденсата 14, насос подачи технической воды 15 и обратный клапан 16, контур газообразного водорода, содержащий реактор генерации водорода 17, запорно-регулирующий вентиль 18, газоохладитель 19 с линией отвода конденсата 20 и компрессор 21, пароэжекторную холодильную машину 22, парогенератор 23 которой расположен в реакторе генерации водорода 17.

Анаэробная энергоустановка замкнутого цикла 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 8, 10, а также гидрида металла (например лития, LiH).

Перед переключением дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой из линии подпиточной воды от системы охлаждения дизеля 12 через запорно-регулирующий вентиль 13, из емкости 14 насосом 15 через обратный клапан 16 в парогенератор 3 подается расчетное количество воды, из которого в реактор 17 поступает расчетное количество перегретого водяного пара. Одновременно в реактор 17 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 8 и окислителя - кислорода из емкости 10 через смеситель 7. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный водород из реактора 17 через запорно-регулирующий вентиль 18 и газоохладитель 19 с линией отвода конденсата 20, компрессором 21, под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (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 CO₂ и H₂O_(пар), в теплообменник-подогреватель 3, в котором срабатывают свой термодинамический потенциал, далее в охладитель 4, в котором отработавшие газы охлаждаются, а водяной пар конденсируется и выводится из цикла в емкость 14, и затем через реактор 5 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 7 и смеситель 8, в которой газовая смесь обогащается кислородом до необходимой концентрации, подаются на впуск дизеля.

Выведенный из цикла в емкость 14 конденсат водяного пара и вода от системы охлаждения дизеля из подпиточной линии 12 с запорно-регулирующим вентилем 13 насосом 15 через обратный клапан 16 подаются в теплообменник-подогреватель 3, из которого в реактор 17 поступает расчетное количество перегретого водяного пара. Одновременно в реактор 17 подается гидрид метала например лития, и в нем генерируется топливо - водород.

Водород через вентиль 18 и газоохладитель 19 с линией отвода конденсата 20 компрессором 21 непосредственно впрыскивается в камеру сгорания дизеля в конце такта сжатия.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 8, путем закрытия вентиля 9, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N₂ + NO + O₂).

Для охлаждения реактора 17 и получения дополнительной полезной энергии (в виде механической или электрической) в состав анаэробной энергохолодильной установки введена пароэжекторная холодильная машина 22, парогенератор 23 которой расположен в реакторе генерации водорода.

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. Чечеткин А. В. , Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим. -тех. вузов. М.: "Высшая школа", 1986, стр. 105.

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 редакцией В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дк. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973. - с. 18-24).

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.

Теплоиспользующая холодильная машина анаэробной энергоустановки выполнена в виде пароэжекторной холодильной машины. Установка содержит контур газообразного окислителя - кислорода, контур газообразного азота, контур газообразного водорода с реактором генерации водорода и контур технической воды. Парогенератор пароэжекторной холодильной машины расположен в реакторе генерации водорода. Дизельная установка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, теплообменником - подогревателем и реактором с химическим поглотителем. Использование изобретения позволит повысить КПД дизеля, снизить затраты на хранение окислителя, получать дополнительную полезную энергию. 1 ил.

Анаэробная энергоустановка замкнутого цикла, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с теплоиспользующей холодильной машиной, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавших газов дизеля, отличающаяся тем, что теплоиспользующая холодильная машина выполнена в виде пароэжекторной холодильной машины, а установка снабжена контуром газообразного окислителя - кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающими снабжение дизеля горючим и окислителем, при этом парогенератор пароэжекторной холодильной машины расположен в реакторе генерации водорода, а дизельная энергоустановка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, теплообменником-подогревателем и реактором с химическим поглотителем.