Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой Российский патент 2023 года по МПК F02G1/04 F25B1/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для энергоснабжения и охлаждения различных потребителей, расположенных в подземных сооружениях и других объектах, функционирующих без связи с наземной окружающей средой, например, технологического оборудования пунктов управления специальных объектов, центров обработки данных, глубоких шахт при разработке полезных ископаемых, а также подводных технических средств.

Известно устройство специального подземного сооружения с технологическим оборудованием, работающим без связи с наземной окружающей средой - атмосферным воздухом, содержащего автономную энергетическую установку (автономную электростанцию), холодильную машину, потребителей холода в виде системы кондиционирования воздуха подземного сооружения и технологического оборудования, связанных с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, емкость с топливом и линией подачи топлива в энергетическую установку, емкость с окислителем (сжатым воздухом) и линию подачи окислителя в автономную электростанцию, резервуар для хранения технической воды, из которого техническая вода подается по трубопроводам для охлаждения автономной энергетической установки и холодильной машины (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. 83-84).

Однако продолжительность функционирования подземного сооружения, работающим без связи с атмосферным воздухом, в первую очередь, зависит от объемов технической воды и ее температуры, поскольку она используется для охлаждения автономной энергетической установки и холодильной машины. При исчерпании охлаждающего потенциала технической воды подземное сооружение прекращает свое функционирование, поскольку подача технической воды с высокой температурой в системы охлаждения автономной энергоустановки и холодильной машины приводит к их перегреву и выходу из строя.

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с наземной окружающей средой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (автономной энергетической установки для производства электроэнергии) и преобразователя обратного цикла (холодильной машины), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты, например, получаемого от сгорания углеводородного топлива. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем двигатель служит для получения электрической энергии, а холодильная машина - для получения холода. Для нормального функционирования энергетической установки и холодильной машины 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 от +4 до +8°С, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды аккумулировавшей тепло от двигателя и холодильной машины. При этом установлено, что срок режима функционирования без связи с атмосферой зависит, прежде всего, от объема хранилища запасенного теплоаккумулирующего вещества - холодной воды (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992. - 240 с).

Известно устройство тарельчатого контактного теплообменника (тарельчатого скруббера), предназначенного для охлаждения и очистки контактного (очищаемого) газа и состоящего из вертикального цилиндрического корпуса, расположенного в нижней части корпуса узела ввода контактного газа, расположенных внутри корпуса в его средней части перфорированных тарелок (перфорированные решетки) для контактирования очищаемого газа и подаваемого на орошение водного раствора (Патент РФ №2680069, опубл. от 14.02.2019, Бюл. №5).

Известен способ функционирования дизеля, работающего в режиме рециркуляции (возвращения части газа) отработавших газов, в котором отработавшие газы охлаждают и в полном объеме подвергают мокрой очистке, затем разделяют на два потока, один из потоков компримируют, дополнительно осушают, обеспечивают его контактный теплообмен с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода, а полученную охлажденную и обогащенную кислородом газовую смесь соединяют со вторым осушенным потоком отработавших газов с получением охлажденной искусственной газовой смеси, которую дополнительно подогревают перед подачей в ДВС, а образующиеся твердые фракции воды и диоксида углерода периодически выводят (Патент РФ №2287069, опубл. от 10.11.2006, Бюл. №31).

Главным недостатком данного способа является высокие энергозатраты, связанные с процессом сублимации и десублимации CO₂, требующих необходимости двух переключающихся аппаратов вымораживания для осуществления данного способа, что существенно усложняет эксплуатацию и дестабилизирует работу ДВС в процессе переключения указанных аппаратов.

Известно устройство энергетической установки с паротурбинным контуром и очисткой отработанных газов, эффективность (КПД) которой составляет около 42%, при этом очистка отработанных газов от углекислого газа и соединений серы производится водным раствором известкового молока с последующим удалением выпадающих в осадок карбоната кальция и гипса (Патент на полезную модель №59734, опубл. от 27.12.2006, Бюл. №36).

Известна энергетическая система на основе установки органического цикла Ренкина, представляющей собой замкнутый контур с органическим рабочим телом, содержащим турбину на валу с электрогенератором и систему охлаждения с теплообменником и циркуляционным насосом, при этом система снабжена источником тепловой энергии для нагрева рабочего тела установки органического цикла Ренкина для счет сжигания попутного газа (Патент РФ №2573541, опубл. от 20.01.2016, Бюл. №2). В качестве рабочего тела установки органического цикла Ренкина могут применяться различные виды органических веществ, например, пентан, пропан, бутан и др.

Известна энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой (в случае прекращения подачи внешнее электроснабжение и атмосферного воздуха) и содержащая автономную энергетическую установку для производства электроэнергии, работающей в режиме замкнутого цикла, холодильную машину, содержащую конденсатор и испаритель, для охлаждения потребителей холода, потребителей холода в виде тепловыделяющего технологического оборудования и системы кондиционирования сооружения, топливную емкость и линию подачи горючего в автономную энергетическую установку, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в автономную энергетическую установку, хранилище чистой технической воды, хранилище нагретой загрязненной воды, промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линию подачи технической воды с циркуляционным насосом из хранилища чистой технической водой для охлаждения потребителей холода и конденсатора холодильной машины, линию подачи воды с циркуляционным насосом для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной чистой воды, линию частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для частичной очистки отработанных газов автономной энергетической установки водным раствором нейтрализующего химического вещества, линию подачи отработанных газов от автономной энергетической установки в контактный теплообменник с теплообменником-охладителем, линию подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в автономную энергетическую установку, проходящую через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, емкость для хранения водного раствора нейтрализующего химического вещества, линию подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из емкости для его хранения в контактный теплообменник, линию слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище нагретой загрязненной воды, при этом замкнутый цикл работы автономной энергетической установки обеспечивается за счет использования для сгорания горючего и смеси кислорода с частично очищенными отработанными газами (Патент РФ №2766659, опубл. от 15.03.2022, Бюл. №8).

Однако данное техническое решение имеет сложное технологическое оборудование для приготовления водного раствора нейтрализующего химического вещества из сухого химического вещества, значительно увеличивающее объем энергохолодильной системы, низкую эффективность охлаждения потребителей холода вследствие высокой температуры воды в хранилище чистой технической воды равной температуре окружающей среды внутри сооружения, низкую эффективность нейтрализации углекислого газа из отработанных газов и охлаждения отработанных газов, а также удаления химически грязных продуктов реакции вследствие нерациональной конструкции контактного теплообменника и схемы подачи в контактный теплообменник водного раствора нейтрализующего химического вещества и отработанных газов, невозможность применения газообразных видом топлива (горючего) вследствие использования в данном техническом решении дизеля (двигателя внутреннего сгорания), работающего на дизельном топливе, что затрудняет процесс устойчивой работы автономной энергетической установки в режиме замкнутого цикла с использованием горючего и смеси кислорода с частично очищенными отработанными газами.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении массогабаритных характеристик энергохолодильной системы в целом, повышении эффективности охлаждения потребителей холода, повышении эффективности частичной нейтрализации углекислого газа из отработанных газов и охлаждения отработанных газов, упрощении удаления химически грязных продуктов реакции водного раствора нейтрализующего химического вещества и отработанных газов из контактного теплообменника, повышение надежности работы паровой турбины, а также возможности применения газообразных видов топлива и управления работой автономной энергетической установки в режиме замкнутого цикла.

Для достижения данного технического результата энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой и содержащая автономную энергетическую установку для производства электроэнергии, работающую в режиме замкнутого цикла, холодильную машину, содержащую конденсатор и испаритель, для охлаждения потребителей холода, потребителей холода в виде тепловыделяющего технологического оборудования и системы кондиционирования сооружения, топливную емкость и линию подачи горючего в автономную энергетическую установку, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в автономную энергетическую установку, хранилище чистой технической воды, хранилище нагретой загрязненной воды, промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линию подачи технической воды с циркуляционным насосом из хранилища чистой технической водой для охлаждения потребителей холода и конденсатора холодильной машины, линию подачи воды с циркуляционным насосом для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной чистой воды, линию частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для частичной очистки отработанных газов автономной энергетической установки водным раствором нейтрализующего химического вещества, линию подачи отработанных газов от автономной энергетической установки в контактный теплообменник с теплообменником-охладителем, линию подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в автономную энергетическую установку, проходящую через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, емкость для хранения водного раствора нейтрализующего химического вещества, линию подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из емкости для его хранения в контактный теплообменник, линию слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище нагретой загрязненной воды, при этом замкнутый цикл работы автономной энергетической установки обеспечивается за счет использования сгорания горючего и смеси кислорода с частично очищенными отработанными газами, снабжена в качестве автономной энергетической установки последовательно соединенных между собой масленого котла, промежуточного контура с диатермическим маслом, содержащего циркуляционный насос и проходящего через масленый котел, и парового контура с органическим рабочим телом, связанного с промежуточным контуром с диатермическим маслом через парогенератор и имеющим в своем составе парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор, циркуляционный насос и теплообменник-перегреватель, контуром захолаживания чистой технической воды с циркуляционным насосом, обеспечивающим циркуляцию чистой технической воды через испаритель холодильной машины и ее охлаждение ниже температуры окружающей среды подземного сооружения, байпасной линией подачи чистой технической воды через регулирующий вентиль из емкости для ее хранения в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды, тарельчатым контактным теплообменником, выполненным с усеченным конусом в нижней части его корпуса и перфорированными тарелками в центральной части внутренней полости корпуса, при этом линия подачи горючего соединяет топливную емкость и масленый котел автономной энергетической установки, линия подачи окислителя через смесительную камеру соединяет емкость с окислителем и масленый котел автономной энергетической установки, линия подачи отработанных газов от автономной энергетической установки выходит из масленого котла, последовательно проходит через теплообменник-перегреватель парового контура и теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, а затем присоединяется к тарельчатому контактному теплообменнику в его нижней части, линия подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в масленый котел снабжена фильтром-осушителем и компрессором, проходит через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов и присоединяется к линии подачи окислителя через смесительную камеру, линия подачи воды из хранилища чистой технической воды последовательно проходит через потребителей холода и конденсатор холодильной машины для их охлаждения, а затем входит в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линия подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости проходит через конденсатор парового контура и вводится в виде разбрызгивающих сопел в корпус контактного теплообменником под перфорированными тарелками выше места присоединения к контактному теплообменнику линии подачи отработанных газов от автономной энергетической установки, линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость присоединена к линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки после конденсатора парового контура, линия подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества из емкости для его хранения вводится в виде разбрызгивающих сопел в тарельчатый контактный теплообменник выше перфорированных тарелок, а линия слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества присоединена к нижней конусной части контактного теплообменника и соединяет его с хранилищем нагретой загрязненной воды.

В качестве топлива используется газообразное углеводородное горючее, например, сжатый природный газ, пропан и др.

В качестве окислителя используется компримированный кислород.

В качестве водного раствора нейтрализующего химического вещества используется известковое молочко.

Введение в состав энергохолодильной системы для подземного сооружения, функционирующей без связи с наземной окружающей средой, в качестве автономной энергетической установки последовательно соединенных между собой масленого котла, промежуточного контура с диатермическим маслом, содержащим циркуляционный насос и проходящим через масленый котел, и парового контура с органическим рабочим телом, связанным с промежуточным контуром с диатермическим маслом через парогенератор и имеющим в своем составе парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор, циркуляционный насос и теплообменник-перегреватель, контура захолаживания чистой технической воды с циркуляционным насосом, обеспечивающим циркуляцию чистой технической воды через испаритель холодильной машины и ее охлаждение ниже температуры окружающей среды подземного сооружения, байпасной линии подачи чистой технической воды через регулирующий вентиль из емкости для ее хранения в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды, тарельчатого контактного теплообменника, выполненного с усеченным конусом в нижней части его корпуса и перфорированными тарелками в центральной части внутренней полости корпуса, при этом линия подачи горючего соединяет топливную емкость и масленый котел автономной энергетической установки, линия подачи окислителя через смесительную камеру соединяет емкость с окислителем и масленый котел автономной энергетической установки, линия подачи отработанных газов от автономной энергетической установки выходит из масленого котла, последовательно проходит через теплообменник-перегреватель парового контура и теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, а затем присоединяется к тарельчатому контактному теплообменнику в его нижней части, линия подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в масленый котел снабжена фильтром-осушителем и компрессором, проходит через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов и присоединяется к линии подачи окислителя через смесительную камеру, линия подачи воды из хранилища чистой технической воды последовательно проходит через потребителей холода и конденсатор холодильной машины для их охлаждения, а затем поступает в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линия подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости проходит через конденсатор парового контура и вводится в виде разбрызгивающих сопел в корпус контактного теплообменником под перфорированными тарелками выше места присоединения к контактному теплообменнику линии подачи отработанных газов от автономной энергетической установки, линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость присоединена к линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки после конденсатора парового контура, линия подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества из емкости для его хранения вводится в виде разбрызгивающих сопел в тарельчатый контактный теплообменник выше перфорированных тарелок, а линия слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества присоединена к нижней конусной части контактного теплообменника и соединяет его с хранилищем нагретой загрязненной воды, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности снижения массогабаритных характеристик технологическое оборудование для приготовления водного раствора нейтрализующего химического вещества и объема энергохолодильной системы, в целом, за счет использования заранее приготовленного жидкого раствора известкового молочка, повышения эффективности охлаждения потребителей холода вследствие охлаждения воды в хранилище чистой технической воды ниже температуры окружающей среды внутри сооружения за счет использования контура захолаживания чистой технической воды, обеспечивающего циркуляцию чистой технической воды через испаритель холодильной машины, повышения эффективности парового контура за счет снабжения его теплообменником-перегревателем и передачи в нем паровому контуру дополнительной тепловой энергии от отработанных газов, повышения эффективности частичной нейтрализации углекислого газа из отработанных газов и охлаждения отработанных газов за счет введения линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки в виде разбрызгивающих сопел в корпус контактного теплообменником под перфорированными тарелками выше места присоединения к контактному теплообменнику линии подачи отработанных газов от автономной энергетической установки, а линии подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества в виде разбрызгивающих сопел в тарельчатый контактный теплообменник выше перфорированных тарелок, упрощения удаления химически грязных продуктов реакции водного раствора нейтрализующего химического вещества и отработанных газов из тарельчатого контактного теплообменника за счет выполнения нижней части корпуса контактным в виде усеченного конуса и смыва химически грязных продуктов реакции водой из линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки, а также применения различных видов топлива, в том числе и газообразных видов топлива, например, природного газа, пропана и др., за счет замены двигателя внутреннего сгорания (дизеля) в автономной энергетической установки на масленый котел с паровым контуром и паровой турбиной, что обеспечивает упрощение хранения и подачи газообразного топлива в масленый котел, а наличие байпасной линией подачи чистой технической воды через регулирующий вентиль из емкости для ее хранения в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды обеспечивает возможность управления работой автономной энергетической установки в режиме замкнутого цикла с использованием горючего и смеси кислорода с частично очищенными отработанными газами при изменении нагрузки и мощности автономной энергетической установки, при этом использование в качестве рабочего тела парового контура органического рабочего тела (например, пентана) вместо воды позволяет повысить надежности работы паровой турбины за счет снижения коррозионной активности рабочего тела в паровом контуре и исключения коррозии лопаток паровой турбины.

На фиг.1 представлена принципиальная схема энергохолодильной системы для подземного сооружения, функционирующей без связи с наземной окружающей средой, где:

1 - подземное сооружение;

2 - масленый котел автономной энергетической установки;

3 - промежуточный контур с диатермическим маслом;

4 - циркуляционный насос промежуточный контур;

5 - паровой контур с органическим рабочим телом;

6 - парогенератор парового контура;

7 - паровая турбина с электрогенератором на одном валу;

8 - конденсатор парового контура;

9 - циркуляционный насос парового контура;

10 - емкость с окислителем;

11 - емкость с топливом (горючим);

12 - линия подачи окислителя, соединяющая емкость с окислителем и масленый котел автономной энергетической установки;

13 - камера смешения линия подачи окислителя;

14 - линия подачи горючего, соединяющая топливную емкость и масленый котел автономной энергетической установки;

15 - хранилище чистой технической воды;

16-хранилище нагретой загрязненной воды;

17 - промежуточная смесевая емкость для хранения утепленной чистой воды,

18 - холодильная машина;

19 - конденсатор холодильной машины;

20 - испаритель холодильной машины;

21 - контур захолаживания чистой технической воды;

22 - циркуляционный насос контура захолаживания;

23 - линия подачи технической воды для охлаждения потребителей холода и конденсатора холодильной машины;

24 - циркуляционный насос линии подачи технической воды из хранилища чистой технической водой для охлаждения потребителей холода и конденсатора холодильной машины;

25 - потребители холода (тепловыделяющее технологическое оборудование и система кондиционирования сооружения);

26 - линия подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной чистой воды;

27 - циркуляционный насос линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки;

28 - байпасная линия подачи чистой технической воды из емкости для ее хранения в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды;

29 - регулирующий вентиль байпасной линии подачи чистой технической воды;

30 - тарельчатый контактный теплообменник, выполненным с усеченным конусом в нижней части его корпуса;

31 - линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды;

32 - регулирующий вентиль линии частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки;

33 - линия подачи отработанных газов от автономной энергетической установки в контактный теплообменник;

34 - линия подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в автономную энергетическую установку;

35 - фильтр-осушитель линии подачи частично очищенных отработанных газов;

36 - компрессор линии подачи частично очищенных отработанных газов;

37 - емкость для хранения водного раствора нейтрализующего химического вещества;

38 - линия подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества в контактный теплообменник;

39 - циркуляционный насос линия подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества;

40 - разбрызгивающие сопла линии подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества;

41 - разбрызгивающие сопла линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки;

42 - линия слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества;

43 - циркуляционный насос линия слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества;

44 - перфорированные тарелки (решетки) тарельчатого контактного теплообменника;

45 - теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов от автономной энергетической установки в контактный теплообменник;

46 - теплообменник-перегреватель парового контура.

Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой, работает следующим образом.

В повседневном режиме эксплуатации подземного сооружения 1 все системы жизнеобеспечения и технологическое оборудование работают за счет электроснабжения от внешней централизованной сети.

При переходе подземного сооружения 1 в режим функционирования без связи с наземной окружающей средой (в случае прекращения подачи внешнее электроснабжение и атмосферного воздуха), сооружение 1 начинает функционировать за счет работы энергохолодильной системы, и запасов материальных сред (горючего, окислителя и чистой технической воды), заблаговременно запасенных внутри подземного сооружения 1.

В этом режиме энергоснабжение специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой автономной энергетической установки, работающей в режиме замкнутого цикла и состоящей из последовательно соединенных между собой масленого котла 2, промежуточного контура 3 с диатермическим маслом, содержащего циркуляционный насос 4 и проходящего через масленый котел 2, и парового контура 5 с органическим рабочим телом, связанного с промежуточным контуром 3 с диатермическим маслом через парогенератор 6. Паровой контур 5 имеет в своем составе парогенератор 6, паровую турбину 7 с электрогенератором на одном валу, конденсатор 8, циркуляционный насос 9 и теплообменник-перегреватель 46.

Автономная энергетическая установка работает следующим образом. Из емкости с топливом 11 по линии подачи горючего 14 в масленый котел 2 подается горючее, например, природный газ или дизельное топливо. Одновременно из емкости с окислителем 10 по линии подачи окислителя 12, через камеру смешения 13 в масленый котел 2 подается смесь кислорода и частично очищенных отработанных газов, в соотношении 20-25% кислорода и 80-75% углекислого газа. Эта смесь выступает в качестве окислителя для обеспечения горения горючего в масленом котле 2.

Указанная смесь образуется за счет смешения в камере смешения 13 кислорода, поступающего из емкости 12, и частично очищенных отработанных газов, поступающих по линии подачи частично очищенных отработанных газов 34 из тарельчатого контактного теплообменника 30.

За счет сгорания горючего и указанной смеси окислителя в масленом котле 2 образуется тепловая энергия с высокой температурой, которая передается рабочему телу - диатермическому маслу промежуточного контура 3. Диатермическое масло циркулирует по промежуточному контуру 3 за счет работы циркуляционного насоса 4. Современные виды диатермических масел могут нагреваться до температуры 400°С.

Полученная тепловая энергия по промежуточному контуру 3 через парогенератор 6 передается паровому контуру 5 с органическим рабочим телом, которое в парогенераторе 6 кипит и переходит в парообразное состояние. Затем пар поступает в теплообменник-перегреватель 46, где он дополнительно догревается с повышением температуры и давления за счет передачи ему тепловой энергии от отработанных газов, идущих из масленого котла 2 по линии подачи отработанных газов 33.

Далее, в паровой турбине 7 с электрогенератором на одном валу происходит расширение и падение давления пара с последующим превращением тепловой энергии в механическую энергию вращения вала турбины 7, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе паровой турбины 7. После турбины 7 пар низкого давления попадает в конденсатор 8, где охлаждается и переходит в жидкое состояние. Жидкое органическое рабочее тело, после конденсатора 8, вновь подается в парогенератор 6 с помощью циркуляционного насоса 9.

Использование в качестве рабочего тела парового контура 5 органического рабочего тела (например, пентана) вместо воды позволяет повысить надежность работы паровой турбины 7 парового контура 5 за счет снижения коррозионной активности рабочего тела в паровом контуре 5 и исключения коррозии лопаток паровой турбины 7.

Применение автономной энергетической установки, имеющей в своем составе масленый котел 2 и паровой контур 5 с паровой турбиной 7 позволяет использовать для создания замкнутого цикла любые виды углеводородного топлива, как жидкие (например, дизельное топливо), так и газообразные (например, природный газ, пропана и др.). При этом необходимо отметить, что газообразные виды топлива позволяют обеспечить упрощение хранения (например, в баллонах с давлением до 200 атмосфер) и подачи газообразного топлива в масленый котел 2 без применения насосного оборудования.

Очистка отработанных (дымовых) газов из масленого котла 2 и формирование замкнутого цикла автономной энергетической установки происходит следующим образом.

Отработанные (дымовые) газы из масленого котла 2 по линии подачи отработанных газов 33 проходят через теплообменник-перегреватель 46 парового контура 5, где первоначально отдают тепловую энергию рабочему телу парового контура 5, и поступают в теплообменник-охладитель 45, где отдают оставшуюся тепловую энергию частично очищенных отработанных газов, возвращающихся из контактного теплообменника 30 в автономную энергетическую установку по линии 34, а затем охлажденными поступают в тарельчатый контактный теплообменник 30 в нижней его части и поднимаются снизу вверх. В тарельчатом контактном теплообменнике 30, отработанные газы, первоначально, очищаются и охлаждаются за счет контакта с распыленной водой, поступающей из разбрызгивающих сопел 41 линии подачи воды 26, проходящей через конденсатор 8 и подающейся из промежуточной смесевой емкости 17 для хранения утепленной чистой воды. На данном этапе отработанные газы охлаждаются и очищаются от сажи и паров воды.

Затем отработанные газы вступают в контакт с водным раствором нейтрализующего химического вещества - известковым молочком, который подается из емкости для хранения водного раствора нейтрализующего химического вещества 37 по линии подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества 38 с помощью циркуляционного насоса 39. Раствор известкового молочка подается через разбрызгивающие сопла 40 на перфорированные тарелки 44, расположенные в центральной части тарельчатого контактного теплообменника 30.

При контакте между отработанными газами и раствором известкового молочка происходит реакция нейтрализации СО₂ с образованием осадка карбоната кальция по реакции:

При этом следует отметить, что количество подаваемого в тарельчатый контактный теплообменник 30 раствора известкового молочка является расчетной величиной, для нейтрализации и удаления определенного объема углекислого газа из отработанных газов, поступающих в контактный теплообменник 30.

Частично очищенные от СО₂ отработанные газы по линии подачи частично очищенных отработанных газов 34 подаются с помощью компрессора 36 в камеру смешения 13, предварительно проходя через фильтр-осушитель 35, где из очищенных газов удаляются капли воды.

Для охлаждения и термостатирования потребителей холода 25 (например, тепловыделяющее технологического оборудования и системы кондиционирования) в режиме без связи с наземной окружающей средой используется запас чистой технической воды, заблаговременно запасенной в хранилище 15.

Для постоянного поддержания более низкой температуры воды в хранилище чистой технической воды 15, ниже температуры внутри сооружения 1, используется контур захолаживания чистой технической воды 21. По контуру 21 вода забирается из хранилища 15 и за счет циркуляционного насоса 22 подается в испаритель 20 холодильной машины 18, где вода охлаждается до температуры от 4 до +8°С, затем вновь сливается в хранилища 15.

Охлаждение воды в хранилище чистой технической воды 15 ниже температуре окружающей среды внутри сооружения 1 за счет использования контура захолаживания 21 чистой технической воды, обеспечивающего циркуляцию чистой технической воды через испаритель 20 холодильной машины 18, позволяет повысить эффективность охлаждения потребителей холода 25.

Для охлаждения потребителей холода 25, из хранилища чистой технической воды 15 по линии подачи технической воды 23 с помощью циркуляционного насоса 24 холодная чистая вода подается потребителям холода 25, где нагревается до температуры от 15 до 18°С, а затем поступает конденсатор 19 для охлаждения рабочего тела холодильной машины 18 и обеспечения ее устойчивой работы, при этом вода нагревается до температуры около 25°С. После прохождения конденсатора 19 нагретая чистая вода сбрасывается в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды 17.

Вода, собранная в промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной чистой воды 17, предназначена для охлаждения автономной энергетической установки. С этой целью, для обеспечения возможности управления работой автономной энергетической установки в режиме замкнутого цикла при изменении нагрузки и мощности автономной энергетической установки предусмотрена байпасная линия подачи чистой технической воды 28 через регулирующий вентиль 29 из емкости чистой технической воды 15 в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды 17, минуя конденсатор 19 холодильной машины 18. При этом байпасная линия присоединяется к линии подачи технической воды 23 после циркуляционного насоса 24. Байпасная линия подачи чистой технической воды 28 позволяет регулировать температуру в промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной воды 17, тем самым обеспечивает снятие тепловой нагрузки с автономной энергетической установки при изменении ее мощности.

Для обеспечения охлаждения автономной энергетической установки вода из промежуточной смесевой емкости 17 с помощью циркуляционного насоса 27 по линии подачи воды 26 подается в конденсатор 8 для конденсации пара органической жидкости парового контура 5, что обеспечивает работу данного контура и выработку электроэнергии в турбине 7 с электрогенератором на одном валу. Вода, проходящая через конденсатор 8, нагревается и поступает в разбрызгивающие сопла 41, расположенные в тарельчатом контактном теплообменнике 30, для очистки и охлаждения отработавших газов.

После контакта с отработанными газами вода, поступившая через разбрызгивающие сопла 41, смешивается с продуктом химической реакции, в виде жидкого осадка карбоната кальция, между отработанными газами и раствором известкового молочка в области перфорированных тарелок 44 контактного теплообменника 30. В результате этого смесь воды и жидкого осадка карбоната кальция скапливается в нижней конусной части контактного теплообменника 30 и с помощью циркуляционного насоса 43 по линии слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества 42 удаляется в хранилище нагретой загрязненной воды 16.

Соответственно, по указанной технологии вода из хранилища чистой технической воды 15 в процессе работы энергохолодильной системы при функционировании без связи с наземной окружающей средой перекачивается в конечном счете в хранилище нагретой загрязненной воды 16.

По исчерпанию воды в хранилище чистой технической воды 15 предлагаемая энергохолодильная система перестает функционировать.

Для обеспечения возможности управления работой автономной энергетической установкой, увеличения срока работы энергохолодильной системы при функционировании без связи с наземной окружающей средой,

соответственно, сокращения расхода запасенной в хранилище 15 чистой технической воды предусмотрена линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды 31 от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды 17 через регулирующий вентиль 32. Линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды 31 присоединяется к линии подачи воды 26 после ее прохода через конденсатор 8 парового контура 5. Регулирующий вентиль 32 обеспечивает возвращение необходимого расчетного количества нагретой воды в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды 17 для поддержания достаточной температуры необходимой для снятия тепловой нагрузки с конденсатора 8 парового контура 5.

Источники информации:

1. 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. 83-84.

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

3. Патент РФ №2680069, опубл. от 14.02.2019, Бюл. №5.

4. Патент РФ №2287069, опубл. от 10.11.2006, Бюл. №31.

5. Патент на полезную модель №59734, опубл. от 27.12.2006, Бюл. №36.

6. Патент РФ №2573541, опубл. от 20.01.2016, Бюл. №2.

7. Патент РФ №2766659, опубл. от 15.03.2022, Бюл. №8 - прототип.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для энергоснабжения и охлаждения потребителей, расположенных в подземных сооружениях и других объектах, функционирующих без связи с наземной окружающей средой. Из емкости с топливом 11 по линии подачи горючего 14 в масляный котел 2 подается горючее. Одновременно из емкости с окислителем 10 по линии подачи окислителя 12 через камеру смешения 13 в масляный котел 2 подается смесь кислорода и частично очищенных отработанных газов. Через промежуточный контур 3 тепловая энергия через парогенератор 6 передается паровому контуру 5 с органическим рабочим телом, где в турбине 7 с электрогенератором на одном валу происходит превращение тепловой энергии в электрическую энергию. Очистка отработанных газов из масляного котла 2 происходит в теплообменнике 30 за счет контакта газов с водным раствором нейтрализующего химического вещества - известкового молочка, подаваемого из емкости 37. Из хранилища чистой технической воды 15 холодная чистая вода подается потребителям холода 25, а затем поступает в конденсатор 19 холодильной машины 18 и далее в промежуточную смесевую емкость 17. Вода из емкости 17, предназначена для охлаждения автономной энергетической установки. Достигаемый технический результат - снижение массогабаритных характеристик энергохолодильной системы в целом, повышение эффективности охлаждения потребителей холода, повышение эффективности очистки и охлаждения отработанных газов, повышение надежности работы паровой турбины и управления работой автономной энергетической установки в режиме замкнутого цикла, а также возможность применения как жидких, так и газообразных видов топлива. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой и содержащая автономную энергетическую установку для производства электроэнергии, работающую в режиме замкнутого цикла, холодильную машину, содержащую конденсатор и испаритель, для охлаждения потребителей холода, потребителей холода в виде тепловыделяющего технологического оборудования и системы кондиционирования сооружения, топливную емкость и линию подачи горючего в автономную энергетическую установку, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в автономную энергетическую установку, хранилище чистой технической воды, хранилище нагретой загрязненной воды, промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линию подачи технической воды с циркуляционным насосом из хранилища чистой технической воды для охлаждения потребителей холода и конденсатора холодильной машины, линию подачи воды с циркуляционным насосом для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости для хранения утепленной чистой воды, линию частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды с расположенным на ней регулирующим вентилем, контактный теплообменник для частичной очистки отработанных газов автономной энергетической установки водным раствором нейтрализующего химического вещества, линию подачи отработанных газов от автономной энергетической установки в контактный теплообменник с теплообменником-охладителем, линию подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в автономную энергетическую установку, проходящую через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, емкость для хранения водного раствора нейтрализующего химического вещества, линию подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из емкости для его хранения в контактный теплообменник, линию слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище нагретой загрязненной воды, при этом замкнутый цикл работы автономной энергетической установки обеспечивается за счет использования сгорания горючего и смеси кислорода с частично очищенными отработанными газами, отличающаяся тем, что снабжена в качестве автономной энергетической установки последовательно соединенными между собой масляным котлом, промежуточным контуром с диатермическим маслом, содержащим циркуляционный насос и проходящим через масляный котел, и паровым контуром с органическим рабочим телом, связанным с промежуточным контуром с диатермическим маслом через парогенератор и имеющим в своем составе парогенератор, паровую турбину с электрогенератором на одном валу, конденсатор, циркуляционный насос и теплообменник-перегреватель, контуром захолаживания чистой технической воды с циркуляционным насосом, обеспечивающим циркуляцию чистой технической воды через испаритель холодильной машины и ее охлаждение ниже уровня температуры окружающей среды подземного сооружения, байпасной линией подачи чистой технической воды через регулирующий вентиль из емкости для ее хранения в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной воды, тарельчатым контактным теплообменником, выполненным с усеченным конусом в нижней части его корпуса и перфорированными тарелками в центральной части внутренней полости корпуса, при этом линия подачи горючего соединяет топливную емкость и масляный котел автономной энергетической установки, линия подачи окислителя через смесительную камеру соединяет емкость с окислителем и масляный котел автономной энергетической установки, линия подачи отработанных газов от автономной энергетической установки выходит из масляного котла, последовательно проходит через теплообменник-перегреватель парового контура и теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов, а затем присоединяется к тарельчатому контактному теплообменнику в его нижней части, линия подачи частично очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в масляный котел снабжена фильтром-осушителем и компрессором, проходит через теплообменник-охладитель линии подачи отработанных газов и присоединяется к линии подачи окислителя через смесительную камеру, линия подачи воды из хранилища чистой технической воды последовательно проходит через потребителей холода и конденсатор холодильной машины для их охлаждения, а затем входит в промежуточную смесевую емкость для хранения утепленной чистой воды, линия подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки из промежуточной смесевой емкости проходит через конденсатор парового контура и вводится в виде разбрызгивающих сопел в корпус контактного теплообменника под перфорированными тарелками выше места присоединения к контактному теплообменнику линии подачи отработанных газов от автономной энергетической установки, линия частичного возврата нагретой охлаждающей воды от автономной энергетической установки в промежуточную смесевую емкость присоединена к линии подачи воды для охлаждения автономной энергетической установки после конденсатора парового контура, линия подачи водного раствора нейтрализующего химического вещества из емкости для его хранения вводится в виде разбрызгивающих сопел в тарельчатый контактный теплообменник выше перфорированных тарелок, а линия слива химически грязного водного раствора нейтрализующего химического вещества присоединена к нижней конусной части контактного теплообменника и соединяет его с хранилищем нагретой загрязненной воды.

2. Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве топлива используется газообразное углеводородное горючее, например, сжатый природный газ, пропан и др.

3. Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве окислителя используется компримированный кислород.

4. Энергохолодильная система для подземного сооружения, функционирующая без связи с наземной окружающей средой по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве водного раствора нейтрализующего химического вещества используется известковое молочко.