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 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, 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 двигателей 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 энергетическая система с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга, камеру сгорания, источник кислорода и источник водорода, выполненные 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, пароэжекторной холодильной машиной с пароперегревателем, 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 линией возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором.

Введение в состав анаэробной энергетической системы 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, пароэжекторной холодильной машины с пароперегревателем, линии отвода продуктов сгорания, последовательно проходящей через нагреватель двигателя Стирлинга, пароперегреватель и парогенератор пароэжекторной холодильной машины и связывающей камеру сгорания с емкостью для хранения конденсата, а также линии возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания, 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 пароэжекторной холодильной машине, а также снижение затрат на хранение компонентов топлива за счет их перевода из криогенного состояния в газообразное при высоком давлении.

На чертеже изображена анаэробная энергетическая система с двигателем Стирлинга.

Анаэробная система 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, пароэжекторную холодильную машину 11 с парогенератором 12 и пароперегревателем 13, линию отвода продуктов сгорания 14, последовательно проходящую через нагреватель 9 двигателя Стерлинга 8, пароперегреватель 13 и парогенератор 12 пароэжекторной холодильной машины 11, и связывающую камеру сгорания 7 с емкостью для хранения конденсата 15, а также линию возврата остаточного водорода 16 из емкости для хранения конденсата 15 в камеру сгорания 7 с расположенным на ней компрессором 17.

Анаэробная энергетическая система 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. Давление в процессе горения поддерживается за счет водорода, необходимое количество которого добавляется в камеру сгорания 7. Продукты сгорания (пары воды и водород при температуре около 1000 К) по линии 14 сначала подаются в нагреватель 9 двигателя Стирлинга 8, где передают часть свой теплоты рабочему телу двигателя 8, за счет чего генерируется полезная механическая энергия, воспринимаемая потребителем 10, а затем, проходят через пароперегреватель 13 и парогенератор 12 пароэжекторной холодильной машины 11, где отдают остаточную часть своей тепловой энергии рабочему телу холодильной машины 11, обеспечивая ее работу, в результате чего генерируется холод, расходуемый на нужды специального объекта, при этом пары воды 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 остаточного водорода 16 подается в камеру сгорания 7.

Источники информации
1. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, стр.55.

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

3. Патент РФ N 2099564, F 02 G 5/00. Бюл. N 35 от 20.12.97.

4. Заявка на изобретение РФ N 96116770. Бюл. N 32 от 20.11.98, F 02 G 1/04, стр. 192-193. - прототип.

В анаэробной энергетической системе с двигателем Стирлинга источники кислорода и водорода выполнены в виде емкостей с газом высокого давления. Система включает линии подвода газообразных компонентов топлива с регулирующими вентилями и пароэжекторной холодильной машиной с перегревателем. 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. Камера сгорания выполнена с палладиевым катализатором. На линии возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания расположен компрессор. Использование изобретения позволит повысить долговечность работы нагревателя двигателя Стирлинга и получить дополнительную низкопотенциальную энергию. 1 ил.

Анаэробная энергетическая система 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 система снабжена линиями подвода газообразных компонентов топлива, кислорода и водорода с регулирующими вентилями, пароэжекторной холодильной машиной с пароперегревателем, 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 линией возврата остаточного водорода из емкости для хранения конденсата в камеру сгорания с расположенным на ней компрессором.