СПОСОБ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F24J1/00 F02G1/00 

Группа изобретений относится к области транспорта преимущественно автомобильного, а более конкретно к способам энергоснабжения, в частности к способам теплового энергоснабжения автомобиля, обеспечивающим практически нулевой выброс отработавших веществ в атмосферу.

Известен способ энергоснабжения (нагрева газа в медицинских целях) с применением экзотермической реакции между натровой известью (смесь СаО и NaOH) и углекислым газом (CO₂) /см. патент США 4693235, кл. 126-263, 1985/.

Однако NaOH является сравнительно дорогим компонентом, что не позволяет использовать натровую известь для силовых установок автотранспортных средств, вследствие нерентабельности.

Кроме того, нарабатываемый в результате такой реакции материал невозможно регенерировать для получения исходных химических компонентов.

Известен также способ энергоснабжения силовой установки путем химической реакции окисления между компонентами, размещенными на транспортном средстве /см. патент Российской Федерации 2028472, кл. F 02 B 43/10, 1995/.

Химическое вещество является кислородсодержащим и способным в процессе подвода к нему ограниченного количества теплоты генерировать свободный кислород. Последний направляют в реакционную зону, где происходит экзотермическое взаимодействие кислорода (первого компонента) и горючего (второго компонента). Выделяемая в ходе указанного процесса тепловая энергия преобразуется в механическую посредством двигателя внутреннего или внешнего сгорания. Как в известном, так и в предложенном способе кислородсодерщие компоненты размещены на автотранспортном средстве. При этом применение в качестве первого компонента чистого кислорода активизирует процесс сгорания, что обеспечивает существенное снижение выбросов оксида углерода и предотвращает выбросы оксидов азота.

Задача, на решение которой направлен каждый из предлагаемых вариантов способов энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства, заключается в предотвращении попадания в атмосферу каких-либо токсичных или нежелательных выбросов, в том числе и углекислого газа, рост концентрации которого в воздухе способствует развитию парникового эффекта.

Технический результат, достигаемый каждым из вариантов группы изобретений, сводится к исключению каких-либо выбросов в атмосферу при перемещении автотранспортного средства, с одновременным обеспечением повторного формирования из наработанного на борту автотранспортного средства химического вещества, исходных кислородсодержащих компонентов по схеме замкнутого цикла.

Данный технический результат по первому варианту обеспечивается благодаря тому, что в способе энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства, путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, предусматривающем применение в качестве первого компонента мелкодисперсного оксида лития и в качестве второго компонента диоксида углерода, находящегося в газовой фазе, указанные компоненты поступают в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется карбонат лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а наработанный карбонат лития периодически выгружают из автотранспортного средства и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, после чего образуемые оксид лития и диоксид углерода вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Указанный технический результат по второму варианту обеспечивается благодаря тому, что в способе энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства, путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, предусматривающем применение в качестве первого компонента мелкодисперсной смеси оксида кальция и оксида лития и в качестве второго компонента диоксида углерода, находящегося в газовой фазе, указанные компоненты поступают в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется смесь карбоната кальция и карбоната лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а наработанную смесь карбоната кальция и карбонат лития периодически выгружают и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, после чего образуемую смесь оксида кальция с оксидом лития и диоксид углерода вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Намеченный технический результат по третьему варианту обеспечивается благодаря тому, что в способе энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, предусматривающем применение в качестве первого компонента мелкодисперсного оксида лития и второго компонента - воды, указанные компоненты поступают в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется гидроксид лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а наработанный гидроксид лития периодически выгружают из автотранспортного средства и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, после чего образуемые оксид лития и воду (или воду из независимого источника) вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Достигаемый технический результат по четвертому варианту обеспечивается благодаря тому, что в способе энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, предусматривающем применение в качестве первого компонента расплава гидроксида лития, либо его паров, и в качестве второго компонента диоксида углерода, находящегося в газовой фазе, указанные компоненты поступают в реакционную зону, где в результатe экзотермической реакции образуются карбонат лития, а также пары воды, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а наработанный карбонат лития периодически выгружают из автотранспортного средства и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием оксида лития и диоксида углерода (после чего оксид лития подвергают взаимодействию с водой), и образованные таким образом гидроксид лития, а также углекислый газ вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Поставленный технический результат по пятому варианту обеспечивается благодаря тому, что в способе энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, предусматривающем применение в качестве первого компонента мелкодисперсного оксида лития и в качестве второго компонента -- диоксида углерода, находящегося в газовой фазе под давлением, указанные компоненты поступают в реакционную зону, заполненную третьим компонентом - водяным паром, где в результате последовательной экзотермической реакции, включающей гетерогенное химическое взаимодействие оксида лития и паров воды, вначале образуется промежуточный компонент - гидроксид лития, после чего, вследствие гомогенного химического процесса между парами гндроксида лития и углекислым газом, образуется карбонат лития в твердой фазе, а также исходное количество воды в паровой фазе, которая повторно взаимодействует с новой порцией оксида лития, при этом выделяющуюся в ходе последовательного химического процесса, тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а наработанный карбонат лития периодически выгружают из автотранспортного средства и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, после чего образуемые оксид лития и диоксид углерода вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Технический результат по пятому варианту обеспечивается также за счет того, что в ходе последовательной экзотермической реакции, параллельно с гетерогенным химическим взаимодействием оксида лития и паров воды, протекает и частичное прямое взаимодействие (см. первый вариант) между оксидом лития и углекислым газом, в ходе которого образуется карбонат лития; также параллельно с гомогенным химическим взаимодействием между парами гидроксида лития и углекислым газом протекает и частичное гетерогенное взаимодействие с находящимся в стадии испарения гидроксидом лития и диоксидом углерода, в ходе которого образуется карбонат лития и вода в паровой фазе.

Согласно первому варианту энергоснабжение силовой установки автотранспортного средства обеспечивается при помощи следующей химической реакции.

Оксид лития реагирует с диоксидом углерода с образованием карбоната лития, при этом реакция должна протекать при температуре 950...1000К.

Данную реакцию можно представить следующим образом:

Процесс протекает в замкнутом объеме (в термохимическом реакторе), куда дозированными порциями подается мелкодисперсный оксид лития и углекислый газ под избыточным давлением 0,1. . .50 МПа. При этом на 30 г Li₂O и 44 г СО₂ образуется 74 г Li₂СО₃. Образующийся карбонат лития непрерывно удаляется из реактора, а тепловая энергия в количестве 222 кДж преобразуется в механическую энергию посредством двигателя, работающего по одному из циклов с внешним подводом теплоты (например, по циклу Стирлига, температура рабочего тела, которого составляет 950...1000К). Подвод теплоты от реактора к рабочему телу двигателя может быть организован, например, при помощи тепловой трубы.

По второму варианту энергоснабжение силовой установки автотранспортного средства обеспечивается при помощи следующих химических реакций.

Смесь оксида кальция и оксида лития реагирует с диоксидом углерода с образованием смеси карбоната кальция и карбоната лития.

Протекающие реакции можно представить следующим образом:


Процесс протекает в замкнутом объеме (в термохимическом реакторе), куда дозированными порциями подается мелкодисперсная смесь оксида кальция и лития и углекислый газ под избыточным давлением 0,1...50 МПа. При этом в зависимости от соотношения оксида кальция и оксида лития образуется соответствующее количество карбонатов кальция и лития, которые непрерывно удаляются из реактора, а тепловую энергию, количество которой определяется упомянутой пропорцией между оксидами, преобразуют в механическую энергию посредством двигателя, работающего по одному из циклов с внешним подводом теплоты (например, по циклу Стирлинга или смешанному циклу Брайтона, предусматривающему внешний подвод теплоты к рабочему телу газовой турбины). Подвод теплоты от реактора к рабочему телу двигателя может быть организован, например, при помощи тепловой трубы.

В соответствии с третьим вариантом энергоснабжение силовой установки автотранспортного средства обеспечивается при помощи следующей химической реакции.

Оксид лития реагирует с водой с образованием гидроксида лития.

Данную реакцию можно представить следующим образом:

Процесс протекает в замкнутом объеме (в термохимическом реакторе), куда дозированными порциями подается мелкодисперсный оксид лития и вода, преобразующаяся в пар под избыточным давлением до 25 МПа. При этом в ходе химического процесса на 30 г оксида лития и 18 г воды образуется 58 г гидроксида лития, который непрерывно удаляется из реактора, а тепловая энергия в количестве 86 кДж преобразуется в механическую энергию посредством двигателя, работающего по одному из циклов с внешним подводом теплоты (например, по циклу Стирлинга или смешанному циклу Брайтона, предусматривающему внешний подвод теплоты к рабочему телу газовой турбины). Подвод теплоты от реактора к рабочему телу двигателя может быть организован, например, при помощи тепловой трубы.

По четвертому варианту энергоснабжение силовой установки автотранспортного средства обеспечивается при помощи следующей химической реакции.

Гидроксид лития реагирует с диоксидом углерода.

Данную реакцию можно представить следующим образом:

Процесс протекает в замкнутом объеме (в термохимическом реакторе), куда дозированными порциями подается расплав гидроксида лития (температура плавления 746К), либо его пары и углекислый газ под избыточным давлением 0,1. ..50 МПа. При этом в ходе химического процесса на 48 г гидроксида лития и 44 г углекислого газа образуются 74 г карбоната лития и 18 г воды (в паровой фазе). Образующийся карбонат лития, а также вода непрерывно удаляется из реактора, а тепловая энергия в количестве 137 кДж (данная величина соответствует способу, при котором обеспечивается конденсация водяных паров в целях регенерации теплоты указанного процесса) преобразуется в механическую энергию посредством двигателя, работающего по одному из циклов с внешним подводом теплоты (например, по циклу Стирлинга или смешанному циклу Брайтона, предусматривающему внешний подвод теплоты к рабочему телу газовой турбины). Подвод теплоты от реактора к рабочему телу двигателя может быть организован, например, при помощи тепловой трубы.

В рамках пятого варианта, энергоснабжение силовой установки автотранспортного средства обеспечивается при помощи последовательности химических реакций, которую можно представить следующим образом:

Процесс протекает в замкнутом объеме (в термохимическом реакторе), заполненном водяным паром, куда дозированными порциями подается мелкодисперсный оксид лития и углекислый газ под избыточным давлением 0,1...50 МПа. При этом в ходе последовательного двухступенчатого химического процесса на 30 г Li₂O и 44 г СО₂ образуется 74 г Li₂CO₃. В то же время масса водяного пара в реакционной зоне остается практически постоянной, т.е. вода вступает в реакцию с оксидом лития, а затем выделяется в ходе реакции между гидроксидом лития и углекислым газом в том же количестве и вновь взаимодействует с очередной порцией оксида лития. Таким образом, вода в паровой фазе постоянно находится в объеме реактора и подвергается непрерывной регенерции.

Одновременно с основной последовательностью химических реакций 1-2 в процессе по пятому варианту будут иметь место и частичные параллельные химические взаимодействия: прямая реакция между оксидом лития и углекислым газом с образованием карбоната лития, отраженная в первом варианте (эта реакция протекает менее активно, чем реакция 1 между оксидом лития и водяным паром; кроме того, углекислый газ будет вступать в гетерогенное взаимодействие с частично находящимся в твердой (или жидкой) фазе (испаряющимся) гидроксидом лития с образованием карбоната лития и воды в паровой фазе.

Удельные, энергетические, а также физико-химические параметры заявленных вариантов энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства сведены в таблицу.

Согласно первому варианту масса энергоисточника, размещенного на автомобиле с гибридным приводом при величине пробега в 500 км составит 165 кг (67 кг Li₂О+98 кг СО₂).

По второму варианту масса компонентов энергоисточника (СаО+Li₂О+CO₂) зависит от пропорции смеси оксидов кальция и лития.

В соответствии с третьим вариантом масса компонентов (Li₂О+H₂O) составит 280 кг на 500 км пробега автомобиля. При этом масса оксида лития (как более дорогого компонента) будет равна 175 кг.

По четвертому варианту масса компонентов (2LiOH+CO₂) составит 300 кг на 450 км пробега автомобиля с гибридным приводом (157 кг LiOH+143 кг СО₂).

В рамках пятого варианта масса энергоисточника, размещенного на автомобиле с гибридным приводом, при величине пробега 500 км составит 165 кг (67 кг Li₂О+98 кг CO₂), однако благодаря последовательной двухступенчатой реакции с образованием промежуточного компонента гидроксида лития, данный процесс протекает заметно активнее, чем прямое взаимодействие по первому варианту.

Углекислый газ может храниться на борту транспортного средства как в сжиженном состоянии, так и в виде сухого льда. Последний переходит в газообразное состояние в процессе сублимации.

Согласно первому, второму, третьему, четвертому и комбинированному пятому вариантам соответственно карбонат лития, смесь карбонатов кальция и лития или гидроксид лития, нарабатываемые при перемещении транспортного средства, подвергают централизованному термическому разложению (например, при помощи экологически чистого источника энергии, в идеале солнечной). Регенерируемые при этом исходные компоненты после тонкого помола (для оксидов) и углекислый газ после сжижения (или отверждения) вновь размещают на борту автотранспортного средства.

Согласно способу энергоснабжения по третьему варианту вода может быть размещена на автомобиле при заправке из независимого источника.

В соответствии со способом энергоснабжения по четвертому варианту гидроксид лития получают посредством дополнительной реакции между регенерируемым оксидом лития и водой, после чего данный компонент размещают на борту автомобиля.

Таким образом, по всем пяти вариантам удается организовать безотходный замкнутый экологически чистый цикл, основанный на использовании принципов низкокалорийной энергетики, которая включает энергоснабжение транспортного средства при его движении и последующую регенерацию кислородсодержащих компонентов для их повторного (многократного) использования в энергоисточнике автомобиля. Вновь разведанные значительные запасы оксида лития (см.: Ю. И. Остроушко, Л.В.Дегтярева. Гидроминеральное сырье - неисчерпаемый источник лития. ЦНИИАТОМ информ, Москва, 1999), а также неограниченные ресурсы карбоната кальция способствуют обеспечению замкнутого химического цикла, исключающего попадание в атмосферу земли диоксида углерода, что делает заявленный способ энергоснабжения автотранспортного средства весьма перспективным.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и, в частности, может быть использовано в силовой установке автотранспортного средства. Оно позволяет предотвратить выброс в атмосферу каких-либо токсичных веществ. Способ энергоснабжения силовой установки осуществляется путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту преимущественно автомобиля. В качестве компонентов реакции по первому варианту используют оксид лития и диоксид углерода с образованием карбоната лития. В качестве компонентов реакции по второму варианту используют смесь мелкодисперсных оксида кальция и оксида лития и диоксид углерода с образованием карбоната кальция и карбоната лития. В качестве компонентов реакции по третьему варианту используют оксид лития и воду с образованием гидроксида лития. В качестве компонентов реакции по четвертому варианту используют гидроксид лития и диоксид углерода с образованием карбоната лития и воды. В качестве компонентов последовательной двухступенчатой реакции по пятому варианту используют оксид лития, углекислый газ и водяной пар в реакционной зоне; в результате реакции образуется карбонат лития. По всем вариантам затем посредством регенерации получают исходные компоненты, которые вновь размещают на борту автотранспортного средства. Таким образом удается организовать замкнутый цикл, исключающий выброс каких-либо вредных веществ в атмосферу, включая углекислый газ. 5 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, отличающийся тем, что в качестве первого компонента применяют мелкодисперсный оксид лития, который дозированно подают одновременно со вторым компонентом - диоксидом углерода, находящимся в газовой фазе под давлением, в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется карбонат лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и подвергают преобразованию в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а нарабатываемый на борту автотранспортного средства карбонат лития периодически выгружают и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием используемых в качестве исходных продуктов оксида лития и диоксида углерода, которые вновь размещают на борту автотранспортного средства. 2. Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, отличающийся тем, что в качестве первого компонента применяют смесь мелкодисперсных оксида кальция и оксида лития, которую дозированно подают одновременно со вторым компонентом - диоксидом углерода, находящимся в газовой фазе под давлением, в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется смесь карбоната кальция и карбоната лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и подвергают преобразованию в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а нарабатываемую на борту автотранспортного средства смесь карбоната кальция и карбоната лития периодически выгружают и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием используемых в качестве исходных продуктов оксида кальция, оксида лития и диоксида углерода, которые вновь размещают на борту автотранспортного средства. 3. Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, отличающийся тем, что в качестве первого компонента применяют мелкодисперсный оксид лития, который дозированно подают одновременно с водой, переходящей в паровую фазу под давлением в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуется гидроксид лития, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и подвергают преобразованию в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а нарабатываемый на борту автотранспортного средства гидроксид лития периодически выгружают и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием используемых в качестве исходных продуктов оксида лития и воды (или воды из независимого источника), которые вновь размещают на борту автотранспортного средства. 4. Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, отличающийся тем, что в качестве первого компонента применяют расплав гидроксида лития либо гидроксид лития в паровой фазе, который дозированно подают одновременно со вторым компонентом - диоксидом углерода, находящимся в газовой фазе под давлением, в реакционную зону, где в результате экзотермической реакции образуются карбонат лития и вода в паровой фазе, при этом выделяющуюся в ходе химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и подвергают преобразованию в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а нарабатываемый карбонат лития периодически выгружают из автотранспортного средства и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием оксида лития и диоксида углерода (после чего оксид лития подвергают взаимодействию с водой), и регенерируемый гидроксид лития и углекислый газ вновь размещают на борту автотранспортного средства. 5. Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства путем химической реакции соединения между компонентами, размещенными на борту, отличающийся тем, что в качестве первого компонента применяют мелкодисперсный оксид лития, который дозированно подают одновременно со вторым компонентом - диоксидом углерода, находящимся в газовой фазе под давлением, в реакционную зону, заполненную третьим компонентом - водяным паром, где в результате последовательной экзотермической реакции, включающей гетерогенное химическое взаимодействие оксида лития и паров воды, вначале получают промежуточный компонент - гидроксид лития, после чего, вследствие гомогенного химического процесса между парами гидроксида лития и углекислым газом, получают карбонат лития в твердой фазе, а также исходное количество воды в паровой фазе, которую повторно подвергают взаимодействию с новой порцией оксида лития, при этом выделяющуюся в ходе последовательного химического процесса тепловую энергию отводят из реакционной зоны и преобразуют в механическую энергию при помощи двигателя с внешним подводом теплоты, а нарабатываемый на борту автотранспортного средства карбонат лития периодически выгружают и подвергают термическому разложению в стационарных условиях, с образованием используемых в качестве исходных продуктов оксида лития и диоксида углерода, которые вновь размещают на борту автотранспортного средства. 6. Способ энергоснабжения силовой установки по п. 5, отличающийся тем, что в ходе последовательной экзотермической реакции, параллельно с гетерогенным химическим взаимодействием оксида лития и паров воды, протекает и частичное прямое взаимодействие между первым компонентом - оксидом лития и вторым компонентом - углекислым газом, в ходе которого получают карбонат лития. 7. Способ энергоснабжения силовой установки по п. 5, отличающийся тем, что в ходе последовательной экзотермической реакции, параллельно с гомогенным химическим взаимодействием между парами гидроксида лития и углекислым газом происходит и частичное гетерогенное взаимодействие с находящимся в стадии испарения промежуточным компонентом - гидроксидом лития и вторым компонентом - диоксидом углерода, в ходе которого получают карбонат лития и третий компонент - воду в паровой фазе.