ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ Российский патент 2003 года по МПК F25B27/02 F01B21/00 F25B9/14 

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.

Известно устройство двигателя Стирлинга, состоящего из нагревателя, регенератора, холодильника и поршневой группы (Батырев А.Н., Кошеваров В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994, стр. 205).

Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. В качестве рабочего тела используются вещества, не разрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т.д. Однако для эффективного осуществления рабочего цикла машины необходимо, чтобы тепло, подводимое к машине, было бы достаточно высокого термодинамического потенциала (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е. И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, стp. 305).

Известна схема пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя парогенератор, эжектор, холодильник, конденсатор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в парогенераторе, а охлаждение - в холодильнике (Кириллов Н.Г. Пароэжекторная холодильная установка. Патент РФ 2164646, F 25 В 1/08, бюл. 9 от 27.03.2001). Однако, для работы пароэжекторной холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты для образования перегретого пара.

Известна схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины, включающей в себя генератор, абсорбер, конденсатор, испаритель, регенератор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в генераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) в холодильнике (Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 155-166). Однако для работы абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты.

Известны реакции взаимодействия щелочноземельного металла магния с двуокисью и окисью углерода Mg + СО₂ = MgO + СО + 318,5 кДж/моль, Mg + СО = MgO + С + 491,3 кДж/моль с выделением значительного количества теплоты (Валов А. Е. , Кустов Ю.А., Шевцов В.И. Спектроскопическое исследование горения одиночных частиц магния в воздухе и углекислом газе. // ФГВ. - 1994.-30, 4. - с.34).

Известна реакция взаимодействий углерода с двуокисью углерода С+СО₂= 2СО - 172 кДж/моль (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 22-е изд., испр. /Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982 - с. 443).

Известны устройство и принцип работы реакторов с кипящим слоем (Тодес О. М. , Цитович О.Б. Аппараты с кипящим слоем: гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с.).

Известен способ получения искусственной газовой смеси и повышения термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки, работающей по замкнутому циклу, для объектов без связи с атмосферой. Суть этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси углерода (СО₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигатели, например газовой турбине. Недостатком этих энергоустановок является то, что при отсутствии связи с атмосферой, для их функционирования необходимы значительные объемы материальных сред внутри объекта (Описание изобретения к патенту РФ N 2013588).

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) и предназначенные 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 теплоту (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой, эта низкопотенциальная теплота должна аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (TAB), в качестве которого выступает вода, при температуре около +4^oС, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для холодной воды и воды, аккумулировавшей теплоту от преобразователей. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение ППЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление TAB, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы TAB 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 анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую (пароэжекторную) холодильную машину (Кириллов Н.Г. Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом. Патент РФ 2169319, F 25 В 27/02, Бюл. 17 от 20.06.2001). Однако в данной установке используется дорогостоящая камера сгорания с катализатором, и при работе установки образуются отработанные газы (водяные пары), которые необходимо хранить в сооружении.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении надежности работы двигателя Стирлинга и снижении стоимости системы в целом, на счет использования безгазового топлива.

Для достижения данного технического результата энергохолодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую холодильную машину, снабжена линией подачи углекислого газа, включающей в себя емкость для его хранения, запорно-регулирующий вентиль и теплообменники, а также двумя реакторами с щелочноземельным металлом, соединенные между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, при этом линия подачи углекислого газа проходит через реакторы, двигатель Стирлинга через контур промежуточного теплоносителя подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина через свой контур промежуточного теплоносителя подсоединена к другому реактору, который снабжен линией рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода.

Введение в состав энергохолодильной системы с двигателем Стирлинга двух реакторов с щелочноземельным металлом, соединенных между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, контуров промежуточных теплоносителей, с помощью которых двигатель Стирлинга подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина к другому, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности работы двигателя Стирлинга и холодильной машины от высокотемпературных источников теплоты, выполненных на основе безгазовых топлив, что обеспечивает повышение надежности и снижение стоимости всей системы в целом.

На чертеже изображена энергохолодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Энергохолодильиая система в своем составе имеет двигатель Стирлинга 1, соединенный через замкнутый контур промежуточного теплоносителя 2 с реактором 3, включающим в себя накопитель твердой фазы 4, сепаратор 5 и бункер для хранения щелочноземельного металла - магния (не показан), линию подведения не прореагировавшей окиси углерода 6 в реактор 7, включающий в себя накопитель твердой фазы 8, сепаратор 9 и бункер для хранения щелочноземельного металла - магния (не показан), линию рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода 10 с нагнетателем 11, теплоиспользующую холодильную машину 12, соединенную контуром промежуточного теплоносителя с реактором 7, линию подачи углекислого газа, включающую емкость для его хранения 14, запорно-регулирующий вентиль 15, теплообменники 16 и 17.

Энергохолодильная система с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем запасается необходимое (расчетное) количество двуокиси углерода в емкости 14 и щелочноземельного металла - магния.

При работе энергохолодильной системы без связи с атмосферой в реактор 3 подается расчетное количество двуокиси углерода и щелочноземельною металла магния из бункера (не показан). В результате взаимодействия магния с двуокисью углерода по реакциям: Mg + CO₂ = MgO + СО + 318,5 кДж/моль, Mg + СО₂ = MgO + С + 491,3 кДж/моль, С + СО₂ = 2СО - 172 кДж/моль образуются твердая и газовая фазы, которые разделяются в сепараторе 5 Твердая фаза складируется в накопителе 4, а газовая фаза по линии 6 подается в реактор 7, в котором в результате взаимодействия магния с окисью углерода по реакции Mg + СО = MgO + С + 491,3 кДж/моль, образуется твердая фаза - оксид магния и углерод, которая складируются в накопителе 8.

Не прореагировавшая окись углерода отделяется в сепараторе 9 от твердой фазы и по рециркуляционной линии 10 нагнетателем 11 снова подается в реактор 7. Теплота химических реакций, протекающих в реакторе 3, передается через контур с промежуточным теплоносителем 2 рабочему телу двигателя Стирлинга 1. Теплота химических реакций, протекающих в реакторе 7, передается через контур с промежуточным теплоносителем 13 рабочему телу теплоиспользующей холодильной машины 12. Двуокись углерода из емкости 14, через запорно-регулирующий вентиль 15, теплообменник 16, в котором воспринимает теплоту твердой фазы, аккумулированную в накопителе 8 реактора 7, и далее через теплообменник 17, в котором воспринимает теплоту, аккумулированную в накопителе 4, подается в реактор 3.

Источники информации
1. Батырев А.Н., Кошеваров В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994, стр. 205.

2. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978. -стр. 305.

3. Кириллов Н. Г. Пароэжекторная холодильная установка. Патент РФ 2164646, F 25 В 1/08, Бюл. 9 от 27.03.2001.

4. Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 155-166.

5. Валов А.Е., Кустов К.А., Шевцов В.И. Спектроскопическое исследование горения одиночных частиц магния в воздухе и углекислом газе. // ФГВ. -1994. -30, 4. -с. 34.

6. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр. / Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982. -с. 443.

7. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим слоем: гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. В реактор подается двуокись углерода и щелочноземельный металл - магний. В результате взаимодействия магния с двуокисью углерода образуются твердая и газовая фазы, которые разделяются в сепараторе. Твердая фаза складируется в накопителе, а газовая фаза подается в реактор. Не прореагировавшая окись углерода отделяется в сепараторе от твердой фазы и по рециркуляционной линии нагнетателем снова подается в реактор. Теплота химических реакций, протекающих в одном из реакторов, передается через контур с промежуточным теплоносителем рабочему телу двигателя Стирлинга, а теплота химических реакций, протекающих в другом реакторе, передается рабочему телу теплоиспользующей холодильной машины. Двуокись углерода подается в реактор из емкости через теплообменник, в котором воспринимает теплоту твердой фазы, аккумулированную в накопителе реактора, и далее через теплообменник, в котором воспринимает теплоту, аккумулированную в накопителе. Использование изобретения позволит повысить надежность работы двигателя Стирлинга и снизить стоимость системы. 1 ил.

Холодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую холодильную машину, снабжена линией подачи углекислого газа, включающей в себя емкость для его хранения, запорно-регулирующий вентиль и теплообменники, а также двумя реакторами с щелочноземельным металлом, соединенные между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, при этом линия подачи углекислого газа проходит через реакторы, двигатель Стирлинга через контур промежуточного теплоносителя подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина через свой контур промежуточного теплоносителя подсоединена к другому реактору, который снабжен линией рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода.