ЭНЕРГОХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА С ДИЗЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКОЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ БЕЗ СВЯЗИ С АТМОСФЕРОЙ Российский патент 2003 года по МПК F25B27/02 F01B21/00 

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.

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.//Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8÷10).

Известен процесс беспламенного каталитического окисления продуктов неполного сгорания (СО, СH) и конструкция каталитических нейтрализаторов окисления на основе Pt, Pd, Сu, Сr 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).

Известен способ получения водорода в результате взаимодействия щелочноземельного металла магния с водяным паром по реакции Mg+Н₂О=MgO+H₂ при температуре Т=425÷575^oС (Окисление металлов/Под. ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314÷327).

Известна схема абсорбционной бромисто-литиевой 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 бронистолитневой холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты.

Известна схема газотурбинной установки замкнутого цикла, включающей в себя нагреватель, турбину, компрессор, электрогенератор, регенератор, охладитель. (Нигматулин И. Н. , Шляхин П.Н., Ценев В.А. Тепловые двигатели. Под ред. И.И. Нигматулина. Учеб. Пособие для втузов. -М.: Высшая школа, 1974, с. 177÷180.).

Известна реакция поглощения диоксида углерода гидроксидом кальция:
СО₂+Са(ОН)₂=CaCO₃+Н₂О. (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд. испр. /Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982. - С. 616).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющих собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОД), 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 ПОД - для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОД 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 (TAB), в качестве которого выступает вода при температуре около +4^oС, 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 ПОД 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.).

Известны схемы газификационных устройств (газификаторов) для превращения сжиженных веществ в газообразное состояние (Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985. - с. 363÷364).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на синтез-газе с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет высокопотенциальной теплоты, сгенерированной в реакторе в результате взаимодействия отработавших газов с щелечноземельным металлом, разомкнутый контур - с криогенным окислителем (Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г.). Однако работа дизеля на синтез-газе с внешнем смесеобразованием приводит к снижению КПД.

Известна энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию водорода с реактором для генерации водорода, линию криогенного окислителя и линию технической воды (Патент РФ N 2176054. Бюл. N 32 от 20.11.2001г.). Однако в системе не используется высокотемпературная теплота продуктов реакции генерации водорода.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД системы за счет получении дополнительной электрической энергии и сокращении объемов хранилищ TAB за счет получения дополнительного холода.

Для достижения данного технического результата энергохолодильная система с дизельной энергоустановкой для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию водорода с реактором для генерации водорода, линию криогенного окислителя с испарителем-подогревателем и линию технической воды, снабжена теплоиспользующей холодильной машиной, выполненной в виде абсорбционной холодильной машины, газификатором низкого давления в линии криогенного окислителя, замкнутым контуром газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенном в реакторе для генерации водорода, дополнительной абсорбционной холодильной машиной, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, линией отвода теплоты от дизеля и абсорбционных холодильных машин, содержащей емкость для хранения холодного теплоаккумулирующего вещества и проходящей через абсорберы и конденсаторы холодильных машин, емкостью для горячего теплоаккумулирующего вещества, при этом линия технической воды содержит электрический парогенератор и емкость для сбора конденсата, а линия водорода содержит и емкость для хранения водорода и регенератор, через который проходит замкнутый контур газотурбинной установки.

Введение в состав энергохолодильной системы с дизельной энергоустановкой для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, замкнутого контура газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенном в реакторе для генерации водорода, а также дополнительной абсорбционной холодильной машины, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, позволяет получить новое свойство, заключающееся в повышении КПД системы за счет получения дополнительной энергии в замкнутой газотурбинной установки, а также генерацию холода в холодильных машинах за счет теплоты отработавших газов дизеля и замкнутой газотурбинной установки.

На чертеже изображена энергохолодильная система с дизельной энергоустановкой для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Энергохолодильная система в своем составе имеет замкнутый контур дизельной установки, состоящий из дизеля 1, каталитического нейтрализатора 2, после которого расположен генератор абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины 3, охладителя-конденсатора 4, реактора (адсорбера) 5 для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов, компрессора 6, смесителя 7, линию подачи криогенного окислителя, которая включает газификатор низкого давления 8, испаритель-подогреватель 9 и регулятор давления 10, линию подачи технической воды, которая включает емкость для ее хранения и сбора конденсата 11, насос подачи технической воды 12 и обратный клапан 13, электрический парогенератор 14, парогенератор 15, линию подачи газообразного водорода, содержащую реактор генерации водорода 16 с накопителем твердой фазы 17 и сепаратором 18, теплообменник-регенератор 19, компрессор 20, запорно-регулирующие вентили 21, 22, 23, емкость для хранения водорода 24, замкнутый контур газотурбинной установки с нагревателем 25, который расположен в реакторе генерации водорода 16, турбиной 26, после которой расположен генератор абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины 27, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавшего в цикле газотурбинной установки рабочего тела, охладителем 28, компрессором 29 и электрогенератором 30, линию отведения теплоты от преобразователей прямого и обратного циклов 43, включающую емкость 31 для хранения холодного TAB, питательный насос 32, разделяющуюся на линию, проходящую через абсорбер 33, конденсатор 34, теплообменник 35, и линию, проходящую через абсорбер 36, конденсатор 37, а также емкость 38 для хранения горячего TAB. В испарителях 39 и 41 абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин генерируется холод, который передается по линиям 40 и 42 соответственно в систему кондиционирования воздуха сооружения.

Энергохолодильная система с дизельной энергоустановкой для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, работает следующим образом.

Предварительно перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой в нем запасается необходимое (расчетное) количество щелочноземельного металла, например магния, в бункере (не показан), криогенного окислителя в газификаторе низкого давления 8, технической воды в емкости 11, газообразного водорода в емкости 24.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота, окиси азота, продуктов неполного сгорания топлива, паров воды, двуокиси углерода, а также некоторого количества СО и СН, обусловленного выгоранием масла, попадающего в камеру сгорания, через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит окисление продуктов неполного сгорания в СО₂ и Н₂О_пар, поступают в генератор 3 абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины, в котором срабатывают свой термодинамический потенциал, далее направляются в охладитель-конденсатор 4, в котором охлаждаются, а водяной пар конденсируется и выводится из цикла, и затеи через реактор 5 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессором 6 через смеситель 7, в котором очищенные отработавшие газы обогащаются кислородом, подаются на впуск дизеля 1. В конце такта сжатия в камеру сгорания дизеля 1 подается газообразный водород из емкости 24 через запорно-регулирующие вентили 23 и 22 с давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (не показана) дизеля 1.

Жидкий кислород из газификатора низкого давления 8, воспринимая теплоту отработавших газов в испарителе-подогревателе 9, через запорно-регулирующий вентиль 10 в необходимом количестве поступает в смеситель 6, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N₂ + NO + О₂). Выведенный из цикла в емкость 11 конденсат водяного пара и техническая вода насосом 12 через обратный клапан 13 подается в электрический парогенератор 14, перегревается и в виде водяного пара через парогенератор 15, расположенный в накопителе твердой фазы 17, поступает в реактор 16, куда одновременно подается щелочноземельный металл, например магний, и в нем генерируется топливо - водород.

При выходе реактора 16 на рабочий режим прекращается подача водорода из емкости 24 путем закрытия вентиля 23, и сгенерированный водород через регенератор 19 компрессором 20 через запорно-регулирующие вентили 21 и 22 подается в цилиндры дизеля 1, отключается электрический парогенератор 14 и конденсат и техническая вода превращаются в водяной пар в парогенераторе 15 за счет теплоты аккумулированной в накопителе твердой фазы 17.

Рабочее тело газотурбинной установки замкнутого цикла, воспринимая теплоту химической реакции генерации водорода в нагревателе 25, срабатывает термодинамический потенциал в турбине 26, приводя в действие компрессор 29 и генерируя электрическую энергию в электрогенераторе 30, проходит через генератор 27, отдавая теплоту рабочему телу абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины, охлаждается в охладителе 28, сжимается в компрессоре 29 и далее через регенератор 19 поступает в нагреватель 25.

Теплоаккумулирующее вещество - вода из емкости 31 насосом 32 по линии отведения теплоты 43 от преобразователей прямого и обратного циклов, проходящей через абсорбер 33, конденсатор 34, теплообменник 35, и через абсорбер 36, конденсатор 37 поступает в емкость 38 для хранения горячего TAB. В испарителях 39 и 41 абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин генерируется холод, который передается по линиям 40 и 42 соответственно в систему кондиционирования воздуха сооружения.

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. Окисление металлов. /Под. ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314÷327.

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

5. Нигматулин И.Н.,Шляхин П.Н., Ценев В.А. Тепловые двигатели. Под ред. И. Н. Нигматулина. Учеб. Пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1974, с. 177÷180.

6. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд. испр. /Под ред. Рабиновичи В.А. - Л.: Химия, 1982, с. 616.

7. Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992, 240 с.

8. Справочник по физико-технический основан криогеники. Под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 363÷364.

9. Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г.

10. Патент РФ N 2176054. Бюл. N 32 от 20.11.2001 г. - прототип.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Отработавшие газы дизеля поступают в генератор абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины, затем через реактор с химическим поглотителем и смеситель компрессором подаются на впуск дизеля. В конце такта сжатия в дизель подается газообразный водород из емкости. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания. Жидкий кислород из газификатора низкого давления подается в смеситель. Дизель продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N₂+NO+О₂). Конденсат водяного пара и техническая вода насосом через парогенератор подается в реактор, куда одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В результате генерируется топливо - водород. Полученный водород подается в цилиндры дизеля. Газотурбинная установка работает за счет теплоты химической реакции при генерации водорода в нагревателе. Использование изобретения позволит повысить КПД системы за счет получении дополнительной электрической энергии и сократить объемы хранилищ теплоаккумулирующего вещества за счет получения дополнительного холода. 1 ил.

Энергохолодильная система с дизельной энергоустановкой для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию водорода с реактором для генерации водорода, линию криогенного окислителя с испарителем-подогревателем и линию технической воды, отличающаяся тем, что теплоиспользующая холодильная машина выполнена в виде абсорбционной холодильной машины, а система снабжена газификатором низкого давления в линии криогенного окислителя, замкнутым контуром газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенным в реакторе для генерации водорода, дополнительной абсорбционной холодильной машиной, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, линией отвода теплоты от дизеля и абсорбционных холодильных машин, содержащей емкость для хранения холодного теплоаккумулирующего вещества и проходящей через абсорберы и конденсаторы холодильных машин, емкостью для горячего теплоаккумулирующего вещества, при этом линия технической воды содержит электрический парогенератор и емкость для сбора конденсата, а линия водорода содержит емкость для хранения водорода и регенератор, через который проходит замкнутый контур газотурбинной установки.