СПОСОБ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУХА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ Российский патент 2022 года по МПК F02C3/30 F02B29/04 F01K13/02 F02G1/43 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к способу для производства воздуха высокой плотности и к способу для использования воздуха высокой плотности, произведенного с применением данного способа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Обычно в качестве способа для увеличения плотности газа, такого как воздух, уже известен способ для принудительного сжатия газа, использующий устройство сжатия, такое как компрессор. При таком способе, при сжатии газа вырабатывается тепло и прикладывается большая нагрузка к устройству сжатия.

[0003] Патентная литература 1, приведенная ниже, относится к способу для принудительного сжатия воздуха, использующему устройство сжатия, и раскрывает способ для снижения нагрузки на устройство сжатия посредством использования машины для сжатия воздуха с циркуляцией воды в качестве устройства сжатия и охлаждения самого устройства сжатия с помощью циркулирующей воды.

[0004] Патентная литература 2, приведенная ниже, относится к способу для принудительного сжатия синтез-газа, использующему устройство сжатия, и раскрывает способ для снижения нагрузки на устройство сжатия посредством использования в качестве устройства сжатия термодинамический компрессор, способный одновременно сжимать и охлаждать синтез-газ, непосредственно впрыскивая воду в качестве хладагента в термодинамический компрессор и сжимая синтез-газ, одновременно охлаждая синтез-газ.

СПИСОК ЦИТИРОВАНИЯ

Патентная литература

[0005] Патентная литература 1: JP 2007-162485 A.

Патентная литература 2: JP 2011-504447 W.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

[0006] Однако способы, раскрытые в патентной литературе 1 и патентной литературе 2, более чем неэффективны, поскольку тепловая энергия, получаемая газом посредством принудительного сжатия, частично теряется в процессе охлаждения.

Решение проблемы

[0007] Настоящее изобретение предлагает способ для эффективного производства воздуха высокой плотности, в котором исключается этап принудительного сжатия подаваемого воздуха, и предлагает способ для использования эффективным образом энергии воздуха высокой плотности, произведенного с применением данного способа.

[0008] Короче говоря, способ для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, включает в себя: смешивание подаваемого воздуха с мелкими частицами воды для вырабатывания водосодержащего воздуха, имеющего более низкое давление, чем подаваемый воздух; добавление водосодержащего воздуха дифференциальным давлением между давлением подаваемого воздуха и давлением водосодержащего воздуха; и обеспечение, последовательным образом, испарения мелких частиц воды в водосодержащем воздухе и уменьшение объема водосодержащего воздуха для производства воздуха высокой плотности. Благодаря этому способу воздух высокой плотности может быть эффективно произведен без излишнего увеличения давления и температуры.

[0009] Предпочтительно, в качестве средства для добавления давления к водосодержащему воздуху используется нагнетательный механизм или компрессор.

[0010] Кроме того, способ для использования воздуха высокой плотности, произведенного с применением данного способа для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, включает в себя использование в качестве рабочего газа для двигателя внешнего сгорания воздуха высокой плотности вместе с водяным паром, имеющим более высокое давление, чем воздух высокой плотности. Воздух высокой плотности и пар одновременно подаются в двигатель внешнего сгорания, или воздух высокой плотности и пар подаются на двигатель внешнего сгорания с интервалом времени, так что воздух высокой плотности может эффективно управлять двигателем внешнего сгорания, одновременно принимая соответствующим образом тепловую энергию пара высокого давления.

[0011] Альтернативно, воздух высокой плотности, произведенный с применением данного способа для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению используется в качестве газа, поддерживающего сгорание для двигателя внутреннего сгорания, чтобы эффективно использовать воздух высокой плотности, содержащий крайне много кислорода.

ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Способ для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, позволяет эффективно увеличить плотность воздуха.

[0013] Кроме того, способ для использования воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, позволяет эффективно применить воздух высокой плотности для двигателя внешнего сгорания или двигателя внутреннего сгорания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] Фиг. 1 - схематический чертеж, иллюстрирующий пример базовой конфигурации устройства для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 - схема концептуального представления подаваемого воздуха, водосодержащего воздуха и воздуха высокой плотности.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0015] Лучший метод для осуществления настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на фиг. 1 и 2.

[0016] В способе для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, как проиллюстрировано на фиг. 1, сначала требуемое количество подаваемого (необработанного) воздуха А подается в средство 1 для вырабатывания водосодержащего воздуха, имеющее герметичное пространство, через средство 1а подачи воздуха. Затем, большое количество мелких частиц W воды вводится в подаваемый (необработанный) воздух A через средство 1b подачи мелких частиц воды, имеющее отверстие впрыска, такое как сопло, и подаваемый воздух A смешивается с мелкими частицами W воды.

[0017] Используемый в настоящем изобретении подаваемый воздух А представляет собой, предпочтительно, воздух, имеющий нормальную температуру и давление, такие как атмосфера. Однако температура и давление подаваемого воздуха А могут быть свободно выбраны и соответствующим образом отрегулированы в соответствии с реализацией настоящего изобретения. Каждая из мелких частиц W воды является как можно более мелкой частицей воды (маленькая капелька) для того, чтобы увеличить площадь поверхности, и диаметр частиц, температура и количество подачи мелких частиц W воды соответствующим образом регулируются, например, в соответствии с температурой, давлением и количеством подачи подаваемого воздуха A.

[0018] Как описано выше, водосодержащий воздух A1 вырабатывается путем смешивания подаваемого воздуха A с мелкими частицами W воды в средстве 1 для вырабатывания водосодержащего воздуха. В частности, большое количество мелких частиц W воды, смешанное в подаваемом воздухе А, находится в газожидкостном контакте с подаваемым воздухом А и присутствует в подаваемом воздухе А, одновременно забирая тепло из подаваемого воздуха А. В настоящем изобретении воздух, содержащий большое количество мелких частиц W воды, называется водосодержащим воздухом A1.

[0019] Другими словами, мелкие частицы W воды присутствуют в подаваемом воздухе А, одновременно удерживая тепло, взятое из подаваемого воздуха А, в виде скрытой теплоты испарения. Следует отметить, что настоящее изобретение не исключает случая, когда часть мелких частиц W воды в водосодержащем воздухе A1 испаряется во влажный пар.

[0020] Как описано выше, температура водосодержащего воздуха А1 ниже, чем температура подаваемого воздуха А, и, соответственно, давление водосодержащего воздуха А1 ниже, чем давление подаваемого воздуха А. Как проиллюстрировано на фиг. 2 объем водосодержащего воздуха А1 также меньше, чем объем подаваемого воздуха А.

[0021] В частности, предполагая, что температура, давление и объем подаваемого воздуха A обозначаются соответственно T, P и V (то же самое применяется и далее), а температура, давление и объем водосодержащего воздуха A1 соответственно обозначаются T1, P1 и V1 (то же самое применяется и далее), то соотношения T>T1, P>P1 и V>V1 выполняются соответственно по температуре, давлению и объему.

[0022] Далее, как проиллюстрировано на фиг. 1, водосодержащий воздух А1 проходит через средство 2 для добавления дифференциального давления, которое должно быть восполнено разностью давлений между подаваемым воздухом А и водосодержащим воздухом А1, то есть дифференциальным давлением (P1-P) между давлением P подаваемого воздуха A и давлением P1 водосодержащего воздуха A1, в результате чего производится воздух A2 высокой плотности. Поскольку водосодержащий воздух A1 сжимается до исходного давления P подаваемого воздуха A, вырабатывание тепла может быть подавлено в значительной степени в этом случае, по сравнению со случаем, когда выполняется принудительное сжатие, то есть, когда подаваемый воздух A сжимается до давления, превышающего его первоначальное давление P. В этом случае подавление вырабатывания тепла также достигается за счет испарения мелких частиц W воды в водосодержащем воздухе A1.

[0023] В качестве средства 2 для добавления дифференциального давления используется уже известный нагнетательный механизм, такой как нагнетательный вентилятор, вентилятор и нагнетатель, или уже известный компрессор, чтобы добавить к водосодержащему воздуху А1 дифференциального давления и передать воздух A2 высокой плотности к средству 3 хранения, такому как резервуар. В частности, нагнетательный механизм может эффективно дополнить водосодержащий воздух А1 дифференциальным давлением и передать воздух A2 высокой плотности, когда он используется в качестве средства 2 для добавления дифференциального давления.

[0024] Температура и давление производимого воздуха A2 высокой плотности выше, чем температура и давление водосодержащего воздуха А1, способствуя испарению мелких частиц W воды. Соответственно, как проиллюстрировано на фиг. 2, объем воздуха A2 высокой плотности меньше, чем объем водосодержащего воздуха A1, тогда как давление воздуха A2 высокой плотности равно давлению подаваемого воздуха A.

[0025] В частности, предполагая, что температура, давление и объем воздуха A2 высокой плотности обозначаются соответственно T2, P2 и V2 (то же самое применяется и далее), то соотношения T2>T1, P=P2>P1, и V>V1>V2 выполняются соответственно по температуре, давлению и объему. Температура T подаваемого воздуха A равна температуре T2 воздуха A2 высокой плотности или одна из температур T и T2 выше, чем другая, в зависимости от количества содержащихся мелких частиц W воды, количества испаренных мелких частиц W воды и тому подобное.

[0026] Как описано ниже, воздух A2 высокой плотности, произведенный по вышеупомянутому способу, подается для использования из средства 3 хранения в двигатель внешнего сгорания или в двигатель внутреннего сгорания, служащий в качестве теплового двигателя 4.

[0027] Далее будет описан способ для использования воздуха высокой плотности согласно настоящему изобретению.

[0028] Сначала будет описан случай, когда воздух A2 высокой плотности, произведенный, как описано выше, используется в качестве рабочего газа для двигателя внешнего сгорания, служащего в качестве теплового двигателя 4. Примеры двигателя внешнего сгорания включают в себя турбину, имеющую конструкцию внешнего сгорания, такую как уже известная паровая турбина, уже известный свободный поршень, уже известный ротор и тому подобное.

[0029] В этом случае воздух A2 высокой плотности может быть использован, поскольку он является рабочим газом, но предпочтительно он используется вместе с паром S, имеющим более высокое давление, чем воздух A2 высокой плотности.

[0030] В частности, как проиллюстрировано на фиг. 1, в случае, когда тепловой двигатель 4 является двигателем внешнего сгорания, воздух A2 высокой плотности подается в двигатель 4 внешнего сгорания вместе с паром S, который подается через средство 5 подачи пара.

[0031] Воздух A2 высокой плотности и пар S одновременно подаются в двигатель 4 внешнего сгорания.

[0032] Альтернативно, воздух A2 высокой плотности и пар S подаются в двигатель 4 внешнего сгорания с интервалом времени. Более конкретно, после того, как двигатель 4 внешнего сгорания запускается либо воздухом A2 высокой плотности, либо паром S, подается другой газ для продолжения работы двигателя 4 внешнего сгорания. Следовательно, возможно плавно подавать последующий газ (другой газ) при относительно низком давлении подачи.

[0033] Например, когда подается один газ, подача другого газа прекращается, и когда подается другой газ, подача одного газа прекращается. Альтернативно, прекращение подачи одного газа и начало подачи другого газа синхронизируются друг с другом.

[0034] Поскольку воздух A2 высокой плотности является газом, который не конденсируется в точке конденсации пара S, или газом, который не конденсируется в точке кристаллизации пара S, воздух A2 высокой плотности восстанавливает теплоту конденсации или теплоту кристаллизации, выделяемую паром S, и накачивается посредством рекуперации тепла, чтобы прикладывать свое давление газа к двигателю 4 внешнего сгорания. Следовательно, воздух A2 высокой плотности может эффективно управлять двигателем 4 внешнего сгорания, одновременно принимая соответствующим образом тепловую энергию пара S.

[0035] Следует отметить, что настоящее изобретение не исключает случая, когда температура, влажность и давление воздуха A2 высокой плотности регулируются по мере необходимости для использования воздуха A2 высокой плотности в качестве рабочего газа для двигателя 4 внешнего сгорания.

[0036] Далее будет описан случай, когда произведенный воздух A2 высокой плотности используется в качестве газа, поддерживающего сгорание для двигателя внутреннего сгорания, служащего в качестве теплового двигателя 4. Примеры двигателя внутреннего сгорания включают в себя турбину, имеющую конструкцию внутреннего сгорания, такую как уже известная газопаровая турбина, двигатель, такой как уже известный водородный, бензиновый и реактивный двигатели, и уже известный котел.

[0037] В этом случае воздух А2 высокой плотности подается в двигатель 4 внутреннего сгорания, сжатый цилиндром или чем-то подобным двигателю 4 внутреннего сгорания, и используется для повышения эффективности сгорания топлива. Воздух A2 высокой плотности содержит крайне много кислорода для эффективного повышения эффективности сгорания. Воздух A2 высокой плотности также содержит большое количество мелких частиц W воды вместе с паром, и мелкие частицы W воды также испаряются в пар и подаются в двигатель внутреннего сгорания.

[0038] Следует отметить, что настоящее изобретение не исключает случая, когда температура, влажность и давление воздуха A2 высокой плотности регулируются по мере необходимости для использования воздуха A2 высокой плотности в качестве газа, поддерживающего сгорание для внутреннего двигателя 4 внутреннего сгорания.

[0039] Как описано выше, способ для производства воздуха высокой плотности, согласно настоящему изобретению, включает в себя смешивание подаваемого воздуха А с мелкими частицами W воды для получения водосодержащего воздуха А1 вместо принудительного сжатия подаваемого воздуха А и добавления к водосодержащему воздуху А1 дифференциального давления (P-P1) между давлением P1 водосодержащего воздуха A1 и давлением P подаваемого воздуха A. Следовательно, можно эффективно производить воздух A2 высокой плотности без излишнего повышения температуры и давления и, таким образом, без потерь энергии, таких как потеря тепловой энергии из-за увеличения и последующего снижения температуры.

[0040] Кроме того, если воздух A2 высокой плотности, произведенный с применением вышеуказанного способа, используется в качестве рабочего газа для двигателя внешнего сгорания вместе с паром S, имеющим более высокое давление, чем воздух A2 высокой плотности, двигатель внешнего сгорания может эффективно функционировать.

[0041] Кроме того, если воздух A2 высокой плотности, произведенный с применением вышеуказанного способа, используется в качестве газа, поддерживающего сгорание для двигателя внутреннего сгорания, эффективность сгорания в двигателе внутреннего сгорания может быть эффективно улучшена.

СПИСОК ПОЗИЦИОННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0042] 1 - средство для вырабатывания водосодержащего воздуха,

1а - средство подачи воздуха,

1b - средство подачи мелких частиц воды,

2 - средство добавления дифференциального давления (нагнетательный механизм или компрессор),

3 - средство хранения,

4 - тепловой двигатель (двигатель внешнего сгорания или двигатель внутреннего сгорания),

5 - средство подачи пара,

А - подаваемый воздух,

А1 - водосодержащий воздух,

A2 - воздух высокой плотности,

W - мелкие частицы воды,

S - пар.

Предлагается способ для использования в качестве рабочего газа для двигателя внешнего сгорания (4) воздуха высокой плотности (A2), произведенного на этапах, на которых: (a) подают воздух в средство для вырабатывания водосодержащего воздуха, имеющее герметичное пространство; (b) смешивают подаваемый воздух (A) с мелкими частицами (W) воды для образования водосодержащего воздуха (A1), имеющего более низкое давление, чем подаваемый воздух (A); (c) увеличивают давление водосодержащего воздуха (A1) за счет средства для добавления давления, которое добавляет водосодержащему воздуху (А1) давления, представляющего собой разницу между давлением подаваемого воздуха и давлением водосодержащего воздуха; и (d) как следствие обеспечивают испарение мелких частиц (W) воды в водосодержащем воздухе (A1) и уменьшают объем водосодержащего воздуха для производства воздуха высокой плотности (A2); подают воздух высокой плотности (A2) в двигатель внешнего сгорания. Применяя этот способ, плотность воздуха может быть эффективно увеличена. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для использования в качестве рабочего газа для двигателя внешнего сгорания (4) воздуха высокой плотности (A2), произведенного на этапах, на которых:

(a) подают воздух в средство для вырабатывания водосодержащего воздуха, имеющее герметичное пространство;

(b) смешивают подаваемый воздух (A) с мелкими частицами (W) воды для образования водосодержащего воздуха (A1), имеющего более низкое давление, чем подаваемый воздух (A);

(c) увеличивают давление водосодержащего воздуха (A1) за счет средства для добавления давления, которое добавляет водосодержащему воздуху (А1) давления, представляющего собой разницу между давлением подаваемого воздуха и давлением водосодержащего воздуха; и

(d) как следствие, обеспечивают испарение мелких частиц (W) воды в водосодержащем воздухе (A1) и уменьшают объем водосодержащего воздуха для производства воздуха высокой плотности (A2); подают воздух высокой плотности (A2) в двигатель внешнего сгорания.

2. Способ по п. 1, в котором нагнетательный механизм (2) используют в качестве средства для добавления давления для увеличения давления водосодержащего воздуха (A1).

3. Способ по п. 1, в котором компрессор (2) используют в качестве средства для добавления давления для увеличения давления водосодержащего воздуха.

4. Способ по п. 1, в котором воздух (А2) высокой плотности и пар (S) одновременно подают в двигатель (4) внешнего сгорания.

5. Способ по п. 1, в котором воздух (А2) высокой плотности и пар (S) подаются в двигатель (4) внешнего сгорания с интервалом времени.

6. Способ для использования в качестве газа, поддерживающего сгорание для двигателя (4) внутреннего сгорания, воздуха высокой плотности (А2), произведенного на этапах, на которых:

(a) подают воздух в средство для вырабатывания водосодержащего воздуха, имеющее герметичное пространство;

(b) смешивают подаваемый воздух (A) с мелкими частицами (W) воды для образования водосодержащего воздуха (A1), имеющего более низкое давление, чем подаваемый воздух (A);

(c) увеличивают давление водосодержащего воздуха (A1) за счет средства для добавления давления, которое добавляет водосодержащему воздуху (А1) давления, представляющего собой разницу между давлением подаваемого воздуха и давлением водосодержащего воздуха; и

(d) как следствие обеспечивают испарение мелких частиц (W) воды в водосодержащем воздухе (A1) и уменьшают объем водосодержащего воздуха для производства воздуха высокой плотности (A2); подают воздух высокой плотности (A2) в двигатель внутреннего сгорания.