Комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива Российский патент 2018 года по МПК F17C3/00 

Изобретение относится к области криогеники и может быть использовано в качестве системы хранения и использования криогенных компонентов топлива для энергетических установок объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например специальных фортификационных сооружений.

Известно устройство специальных фортификационных сооружений (СФС), которые строятся глубоко под землей для размещения в них командных пунктов, узлов связи, стационарных стартовых позиций ракет, укрытий для особо важной военной техники и боеприпасов, медицинских учреждений и др. Специальные фортификационные сооружения могут быть многоэтажными и включают в себя: основные помещения, входные галереи с прочными входными оголовками, оборудованными защитными дверями или воротами, вентиляционные и технологические отверстия с защитными устройствами. Основной частью конструкции СФС является обделка подземной выработки. Она изготавливается из монолитного железобетона, что дает возможность варьировать в широких пределах ее толщиной (а значит, и прочностью) и обеспечивает устойчивость сооружения от обрушения при воздействии средств поражения (Левыкин В. И. Фортификация: прошлое и современность. – М.: Воениздат, 1987, стр. 101).

Известно, что в состав внутреннего оборудования специальных фортификационных сооружений входят технологические системы (средства связи, электронные устройства) и технические системы: фильтровентиляции, отопления, холодоснабжения, освещения, кондиционирования воздуха, автономного энергоснабжения, водоснабжения, канализации и т.д. (Левыкин В.И. Фортификация: прошлое и современность. - М.: Воениздат, 1987, стр. 102).

Известно, что специальные фортификационные сооружения в мирное и военное время функционируют в различных режимах: в повседневном режиме и режиме полной изоляции соответственно. В режиме полной изоляции специальные фортификационные сооружения функционируют в условиях использования только внутренних запасов, без подачи воздуха из атмосферы в сооружение и без электроснабжения от внешней сети, что предполагает необходимость заблаговременного запаса компонентов топлива (горючего и окислителя) для системы автономного энергоснабжения (Лапшин Г.А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. Учебное пособие для иностранных курсантов военных вузов строительных специальностей. 1-е изд., ВИ(ИТ). - СПб., Высшая школа, 2012, стр. 8).

Известно устройство энергетической установки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, содержащей дизельную энергетическую установку, холодильную машину, емкость с криогенным окислителем - жидким кислородом (Патент РФ №2176054, опубл. 20.11.2001). Однако в данном изобретении отсутствуют технические решения по хранению криогенного окислителя - жидкого кислорода.

Известно, что сжиженный природный газ рассматривается как перспективное жидкое топливо для различных типов энергетических установок, а температура кипения сжиженных природных газов соответствует температуре -162°С (113К) (Нефтегазовая вертикаль./ Анал. журнал №9 - 10 (24-25), М., 1998, стр. 123). Однако существует проблема высокоэффективного долговременного хранения сжиженного природного газа как криогенной жидкости.

Известно устройство энергетической установки для выработки электрической энергии для объектов, функционирующих без связи с атмосферой (например, подводных лодок и специальных фортификационных сооружений), включающей в себя двигатель, емкости с криогенным горючим - сжиженным природным газом и криогенным окислителем - жидким кислородом (криогенные жидкости), которые являются компонентами топлива для двигателя (Патент РФ №2187680, опубл. 20.08.2002). Однако в данном техническом решении не рассмотрен вопрос долговременного хранению криогенных жидкостей: сжиженного природного газа и жидкого кислорода.

Известно, что ввиду внешних теплопритоков в емкостях с криогенными жидкостями образуется выпар (пары сжиженных газов), количество которого зависит от многих факторов: формы емкостей; типов теплоизоляции и т.д. (Р.Б. Скотт. Техника низких температур. Перевод под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Изд. иностр. литер., 1962, стр. 250). Однако выброс выпара за пределы емкости для хранения сжиженных газов приводит либо к потери ценного продукта, либо к загрязнению окружающей среды.

Известно, что для сжижения газов используются различные циклы, например с дросселированием или детандерные, однако в области криогенных температур наиболее высокоэффективным циклом является цикл с холодильной машиной, работающей по обратному циклу Стирлинга. Эффективность криогенных машин Стирлинга практически в два раза выше по сравнению с другими установками, применяемыми для сжижения газов (Усюкин И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, стр. 185-186).

Известно устройство установки для долговременного хранения сжиженного природного газа (криогенной жидкости), содержащее емкость для хранения сжиженного природного газа, криогенную машину Стирлинга со встроенном конденсатором, через который проходит линия отвода выпара сжиженного природного газа из газовой полости криогенной емкости и его слива в криогенную емкость после переконденсации в конденсаторе криогенной машины Стирлинга. Таким образом, обеспечивается долговременное бездренажное (без потерь) хранение сжиженного природного газа (Патент РФ №2162580, опубл. 27.01.2001).

Известен комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива, расположенный внутри сооружения из железобетона, разделенного на два помещения теплоизолированной стенкой, и содержащий как минимум две криогенные емкости с криогенными компонентами топлива, теплообменник-испаритель для газификации криогенных компонентов топлива и линию подачи газифицированного компонента криогенного топлива к потребителю, содержащую запорно-регулирующую арматуру и проходящую через теплообменник-испаритель (Патент РФ №2451872, опубл. 27.05.2012. Бюл. №15). Однако процесс захолаживания помещения, где расположены емкости с криогенным топливом, для долговременного и бездренажного хранения обеспечивается за счет холода от испарения самого криогенного компонента топлива при подаче его потребителю для использования по назначению. В связи с чем данную технологию невозможно применить, когда нет отбора криогенного компонента топлива.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении теплопритоков к криогенным емкостям за счет использования теплоизоляции помещений, в которых они размещены, в обеспечении бездренажного (без выброса паров криогенного топлива в окружающую среду) хранения криогенных компонентов топлива внутри подземного специального фортификационного сооружения, а также в обеспечении возможности производства электроэнергии энергетической установкой, расположенной внутри специального фортификационного сооружения, при нарушении энергообеспечения специального фортификационного сооружения от внешней электросети и отсутствии связи специального фортификационного сооружения с атмосферным воздухом.

Для достижения данного технического результата комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива, расположенный внутри сооружения из железобетона, разделенного на два помещения теплоизолированной стенкой, и содержащий как минимум две криогенные емкости с криогенными компонентами топлива, теплообменник-испаритель для газификации криогенных компонентов топлива и линию подачи газифицированного компонента криогенного топлива к потребителю, содержащую запорно-регулирующую арматуру и проходящую через теплообменник-испаритель, снабжен в качестве потребителя газифицированного криогенного топлива энергетической установкой, а внутри каждого из помещений расположены емкости с криогенными компонентам топлива, при этом в одном из помещений расположена емкость со сжиженным природным газом, используемым в качестве горючего, а в другом помещении - емкость с жидким кислородом, используемым в качестве окислителя, каждая из емкостей снабжена криогенной машиной Стирлинга, содержащей конденсатор и электропривод от внешней электросети, для переконденсации паров криогенных компонентов топлива, теплообменником-испарителем для газификации криогенных компонентов топлива и линией подачи криогенного компонента топлива, сооружение из железобетона с помещениями для емкостей с криогенными компонентам топлива выполнено с теплоизоляцией и размещено внутри подземного специального фортификационного сооружения, линии подачи криогенных компонентов топлива подключены к энергетической установке, расположенной внутри специального фортификационного сооружения, при этом криогенные машины Стирлинга работают только в повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения при электроснабжении от внешней сети, а энергетическая установка с использованием криогенных компонентов топлива работает только в режиме полной изоляции.

Введение в состав комплекса долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива энергетической установки в качестве потребителя газифицированного криогенного топлива, расположенных в разных помещениях емкостей с криогенными компонентам топлива - сжиженным природным газом (горючим) и жидким кислородом (окислителем), снабжение каждой емкости собственной криогенной машиной Стирлинга для переконденсации паров криогенной жидкости, теплообменником-испарителем для газификации криогенных компонентов топлива и линией подачи криогенного компонента топлива к энергетической установке, а также размещение помещений с криогенными емкостями и энергетической установки внутри подземного специального фортификационного сооружения в помещениях с теплоизоляцией, позволяет получить новое свойство, заключающееся в снижении теплопритоков к криогенным емкостям за счет использования теплоизоляции помещений, в которых они размещены, в обеспечении бездренажного (без выброса паров криогенного топлива в окружающую среду) хранения криогенных компонентов топлива внутри подземного специального фортификационного сооружения в повседневном режиме за счет работы криогенных машин Стирлинга при электроснабжении от внешней сети и постоянной переконденсации образующихся паров криогенных компонентов топлива в конденсаторе криогенных машин Стирлинга, а также в обеспечении возможности производства электроэнергии энергетической установкой при нарушении энергообеспечения специального фортификационного сооружения от внешней электросети и отсутствии связи специального фортификационного сооружения с атмосферным воздухом за счет использования хранимых в сооружении запасов криогенных компонентов топлива - сжиженного природного газа и жидкого кислорода.

На фиг. 1 изображен комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива.

Комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива расположен внутри сооружения 1 из железобетона, разделенного на два помещения 2 и 3 теплоизолированной стенкой 4. Комплекс содержит емкость 5 со сжиженным природным газом, используемым в качестве горючего, расположенной в помещении 2, и емкость 6 с жидким кислородом, используемым в качестве окислителя, и расположенной в помещении 3, а также энергетическую установку 7.

В качестве энергетической установки 7, работающей на криогенных компонентах топлива - сжиженном природном газе и жидком кислороде (криогенные жидкости), могут применяться газопоршневые двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга, газовые турбины и газодизельные двигатели.

Емкость 5 со сжиженным природным газом снабжена криогенной машиной Стирлинга 8, содержащей конденсатор 9 и электропривод 10 от внешней электросети, для переконденсации паров криогенных компонентов топлива, а также теплообменник-испаритель 11 для газификации криогенных компонентов топлива и линию 12 подачи криогенного компонента топлива с запорно-регулирующей арматурой 13.

Емкость 6 с жидким кислородом снабжена криогенной машиной Стирлинга 14, содержащей конденсатор 15 и электропривод 16 от внешней электросети, для переконденсации паров криогенных компонентов топлива, а также теплообменник-испаритель 17 для газификации криогенных компонентов топлива и линию 18 подачи криогенного компонента топлива с запорно-регулирующей арматурой 19.

Сооружение 1 из железобетона покрыто слоем теплоизоляции 20 и размещено внутри специального фортификационного сооружения 21, расположенного под землей и выполненного из железобетона.

Комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива работает следующим образом.

Внутри сооружения 1 из железобетона, разделенного на два помещения 2 и 3 теплоизолированной стенкой 4, в емкостях 5 и 6 заблаговременно запасается необходимое количество сжиженного природного газа и жидкого кислорода соответственно.

В повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения 21 для исключения потерь сжиженного природного газа за счет теплопритоков к криогенной емкости 5 периодически включается криогенная машина Стирлинга 8 за счет подвода электроэнергии к электроприводу 10 от внешней электросети (на фиг. не показана). Пары сжиженного природного газа засасываются из газовой полости емкости 5 в конденсатор 9 криогенной машины Стирлинга 8, где охлаждаются и сжижаются, после чего сливаются самотеком в емкость 5.

В повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения 21 для исключения потерь жидкого кислорода за счет теплопритоков к криогенной емкости 6 периодически включается криогенная машина Стирлинга 14 за счет подвода электроэнергии к электроприводу 16 от внешней электросети. Пары жидкого кислорода засасываются из газовой полости емкости 6 в конденсатор 15 криогенной машины Стирлинга 14, где охлаждаются и сжижаются, после чего сливаются самотеком в емкость 6.

Работа криогенных машин Стирлинга 8 и 14, использующих электроэнергию от внешней сети, обеспечивает бесконечно долго бездренажное (без потерь) хранение криогенных компонентов топлива (сжиженного природного газа и жидкого кислорода) в специальном фортификационном сооружении 21 в повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения 21.

Для уменьшения теплопритоков от объектов, расположенных в специальном фортификационном сооружении 21 в повседневном режиме эксплуатации, сооружение 1 покрыто слоем теплоизоляции 20.

При применении вероятным противником высокоточного оружия, внешнее электроснабжение и подача атмосферного воздуха в специальное фортификационное сооружение 21 могут быть прекращены из-за разрушений вокруг сооружения 21. В этом случае специальное фортификационное сооружение 21 начинает работать в режиме полной изоляции за счет запасов материальных сред (прежде всего топлива), заблаговременно запасенных внутри сооружения 21.

Для обеспечения работы энергетической установки 7 в режиме полной изоляции открывается запорно-регулирующая аппаратура 13 и 19, которая обеспечивает подачу сжиженного природного газа и жидкого кислорода из емкостей 5 и 6 в теплообменники-испарители 11 и 17 соответственно. За счет теплопритоков от внутреннего пространства помещений 2 и 3, сжиженный природный газ и жидкий кислород испаряются и по линиям подачи криогенных компонентов топлива, соответственно 12 и 18, газообразные природный газ и кислород поступают в энергетическую установку 7 в качестве горючего и окислителя соответственно.

В качестве энергетической установки 7, работающей на криогенных компонентах топлива - сжиженном природном газе и жидком кислороде (криогенные жидкости), могут применяться газопоршневые двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга, газовые турбины и газодизельные двигатели.

Изобретение относится к области криогеники и может быть использовано в качестве системы хранения и использования криогенных компонентов топлива для энергетических установок объектов. Внутри сооружения 1 в емкостях 5 и 6 заблаговременно запасается необходимое количество сжиженного природного газа и жидкого кислорода соответственно. Для обеспечения работы энергетической установки 7 в режиме полной изоляции открывается запорно-регулирующая аппаратура 13 и 19, которая обеспечивает подачу сжиженного природного газа и жидкого кислорода из емкостей 5 и 6 в теплообменники-испарители 11 и 17 соответственно. За счет теплопритоков от внутреннего пространства помещений 2 и 3 сжиженный природный газ и жидкий кислород испаряются и по линиям подачи криогенных компонентов топлива, соответственно 12 и 18, газообразные природный газ и кислород поступают в энергетическую установку 7 в качестве горючего и окислителя соответственно. Технический результат - снижение теплопритоков к криогенным емкостям, обеспечение бездренажного хранения криогенных компонентов топлива внутри специального фортификационного сооружения, а также обеспечение возможности производства электроэнергии энергетической установкой при нарушении энергообеспечения фортификационного сооружения. 1 ил.

Комплекс долговременного хранения и использования криогенных компонентов топлива, расположенный внутри сооружения из железобетона, разделенного на два помещения теплоизолированной стенкой, и содержащий как минимум две криогенные емкости с криогенными компонентами топлива, теплообменник-испаритель для газификации криогенных компонентов топлива и линию подачи газифицированного компонента криогенного топлива к потребителю, содержащую запорно-регулирующую арматуру и проходящую через теплообменник-испаритель, отличающийся тем, что в качестве потребителя газифицированного криогенного топлива применяют энергетическую установку, а внутри каждого из помещений расположены емкости с криогенными компонентам топлива, при этом в одном из помещений расположена емкость со сжиженным природным газом, используемым в качестве горючего, а в другом помещении - емкость с жидким кислородом, используемым в качестве окислителя, каждая из емкостей снабжена криогенной машиной Стерлинга, содержащей конденсатор и электропривод от внешней электросети, для переконденсации паров криогенных компонентов топлива, теплообменником-испарителем для газификации криогенных компонентов топлива и линией подачи криогенного компонента топлива, сооружение из железобетона с помещениями для емкостей с криогенными компонентами топлива выполнено с теплоизоляцией и размещено внутри подземного специального фортификационного сооружения, линии подачи криогенных компонентов топлива подключены к энергетической установке, расположенной внутри специального фортификационного сооружения, при этом криогенные машины Стерлинга работают только в повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения при электроснабжении от внешней сети, а энергетическая установка с использованием криогенных компонентов топлива работает только в режиме полной изоляции.