Система для криогенной обработки и накопления продуктов сгорания тепловой машины Советский патент 1992 года по МПК F02B47/10 F02M25/14 F01K25/00 

Изобретение относится к системе для криогенной обработки и накопления продуктов сгорания, с помощью которой газообразные продукты сгорания тепловой машины, которые не могут быть непосредственно отведены от выхлопной трубы в атмосферу, но могут быть легко и экономично собраны, по крайней мере, в одну, имеющую небольшой объем сборную емкость при низких энергетических затратах, причем упомянутая система имеет очень небольшой общий вес (более конкретно, но не исключительно, упомянутая система находит свое основное применение в системах генерирования энергии тепловых машин, установленных на судовых транспортных средствах, или в неподвижных подводных системах, в частности, если они предназначены для работы на глубине с требованием значительной независимости между двумя пополнениями запасов, особенно если в дополнение к этому требованию существует необходимость поддержания постоянной массы системы так, чтобы существовало состояние баланса между весом и подъемной силой в течение всего времени, когда подается энергия).

Еще одним потенциальным применением системы по изобретению является применение в тех случаях, когда требуется, чтобы транспортные средства или установки, включая наземные или воздушные, работали в условиях окружающей среды, лишенной кислорода или бедной кислородом, и при ограничениях в возможности свободного выхлопа газообразных продуктов сгорания в окружающую среду, что диктует необходимость их накапливания или химической обработки.

Целью изобретения является повышение эффективности системы.

На фиг. 1 показана схема технологического процесса тепловой машины, использующей системы обработки и накопления продуктов сгорания; на фиг. 2 - вариант одного из элементов схемы технологического процесса; на фиг. 3 - модификация схемы технологического процесса.

Схема технологического процесса (фиг.1) включает охлаждающий и дегидратирующий узел I для отработавших газов тепловой машины 2, компрессор 3, охладитель 4 газов для охлаждения сжатых обезвоженных газов, криогенную систему 5 для обработки и накопления продуктов сгорания и узел 6 для регенерации газа.

Отработавшие (выхлопные) газы, вытесненные тепловой машиной 2 при высокой температуре, обычно между 350 и 500°С, поступающие по линии 7, охлаждаются в

охладителе 8 отработавших газов до температуры, несколько более высокой, чем окружающий источник холода, т.е. морская вода и атмосфера, окружающая систему. Этот охладитель 8 может охлаждаться либо непосредственно потоком внешней окружающей среды, т.е. воды или воздуха, либо промежуточным потоком, охлажденным внешней окружающей средой в дополнительном

0 теплообменнике (не показан). Он должен также обеспечивать радиацию в половину пространства, которая находится в тени по отношению к солнечной радиации.

Охлажденная смесь затем поступает в

5 отделитель 9 конденсата ткуда осушенная часть уходит по трубопроводу 10 частичного отбора несконденсировавшихся газов, а конденсат уходит по дренажной линии 11, по которой он проходит через клапан 12,

0 управляемый регулятором 13 уровня, и собирается в резервуаре 14, имеющем отверстие 15, сообщающее резервуар 14 с атмосферой. Оставшиеся в отделителе 9 несконденсировавшиеся газы поступают по

5 трубопроводу 16 в дегидратирующий контур. Газ в трубопроводе 16, эквивалентный по массовому потоку увеличению в единицу времени массы сухого газа, получаемого при горении в двигателе, состоит из смеси,

0 содержащей двуокись углерода, неизрасходованный кислород, водяной пар и инертный газ, т.е. газ, не полученный в результате горения, а только лимитирующий максимальную температуру. Для изобретения точ5 ная природа инертного газа не является определяющим фактором, однако очевидно, что энергия, используемая при сжатии газового потока, проходящего по трубопроводу 16, является минимальной, если этот инерт0 ный газ представляет собой, главным образом, двуокись углерода.

Газ, текущий по трубопроводу 16, проходит через дегидратирующий контур, который содержит отделитель 17 конденсата и

5 осушающий фильтр 18, включающий гигроскопические вещества (обычно, сили кагель), на которых почти полностью адсорбируется оставшийся водяной пар, содержащийся в смеси. Охлажденный безводный газ откачи0 вается в дегидратирующем контуре с помощью компрессора 3, который всасывает смесь и сжимает ее до давления, необходимого для сжижения двуокиси углерода в криогенной системе 5 для криогенной

5 обработки и накопления, причем упомянутое давление определяется массовым и эн- тальпийным балансами в системе 5. После каждой ступени компрессора 3, является ли он одноступенчатым или многоступенчатым, предусмотрен охладитель 4, аналогичный охладителю 8, что позволяет сделать работу сжатия и энтальпию, подводимую к системе 5, минимальными.

Безводный сжатый газ поступает в систему 5 через невозвратный клапан 19 и про- ходит через сжижающий перегревающий теплообменник 20, где упомянутая смесь дополнительно охлаждается и двуокись углерода частично сжижается, причем упомянутый газ охлаждается насыщенным паром кислорода из резервуара 21, а кислород при этом перегревается.

Сжижение двуокиси углерода завершается в криогенной емкости 22 для конденсации-сбора криогенной двуокиси углерода, охлаждаемой жидким кислородом, который испаряется при низкой температуре в змеевике 23.

Инертные газы, помимо двуокиси углерода и кислорода, присутствующие в сжатом безводном газе, не конденсируются, извлекаются и подаются через клапан 24 и компенсатор 25 давления к узлу 6 для регенерации. Клапан 24 приводится в действие соответствующей управляющей сие- темой согласно температуре и давлению в емкости 22.

Жидкий кислород, содержащийся в криогенном резервуаре 21, подводится через регулирующий клапан 26 к змеевику 23, где он испаряется для извлечения тепла из двуокиси углерода, содержащейся в емкости 22 для криогенной конденсации-сбора. Эта емкость расположена ниже резервуара 21, чтобы обеспечить естественную циркуля- цию кислорода в результате разности плотностей между опускной линией 27 и подъемной линией 28, избегая необходимости использования сложных насосов для жидкого кислорода. Нагнетательный кла- пан приводится в действие с помощью соответствующей управляющей системы для поддержания давления в резервуаре 21 на предварительно заданном уровне, превышающем входное давление машины 2.

Кислород, присутствующий в насыщенной паровой фазе в резервуаре 21, вводится в узел 6 под действием разности давлений между резервуаром 21 и узлом 6 регенерации газа через невозвратный клапан 29, сжижающий (перегревающий) теплообмен- ник 20 и компенсатор 25 давления. Кислородный пар нагревается в теплообменнике 20 до температуры, близкой к окружающей, и смешивается в компенсаторе 25 давления с кислородом и любыми инертными газами, извлеченными из криогенной емкости 22.

Регулирующий клапан 30 для дополнительного кислорода подводит в успокоитель 31 давления некоторое количество богатого

кислородом газа, поступающего от компенсатора 25 давления под действием разности давлений и способного восстановить смесь до состава, необходимого для тепловой машины 2 и типа используемого инертного газа.

На фиг. 1 позицией 32 обозначен бак для жидкого или газообразного топлива, используемого в тепловой машине 2.

На фиг. 2 показана та же самая криогенная система 5, что и на фиг. 1, но в которой упомянутый сжижающий (перегревающий) теплообменник 20 выполнен в виде змеевика, расположенного внутри криогенной емкости 22 и соединенного с резервуаром 21 для криогенного кислорода и с компенсатором 25 давления.

На фиг. 3 система 5 для криогенной обработки и накопления продуктов сгорания аналогична системе 5, показанной на фиг. 1. Сжиженное газовое топливо для тепловой машины 2, хранимое в криогенном танке 33, используется таким же образом, что и жидкий кислород, чтобы охладить и сжижить часть сжатых безводных газов из охладителя 4, для того, чтобы добиться дополнительного снижения температуры и давления сжижения двуокиси углерода и, следовательно, дополнительного снижения механической энергии, необходимой для осуществления сжатия в компрессоре 3.

Очевидно, что в этом варианте испаренное и перегретое топливо, покидающее до- полнительныйсжижающий

(перегревающий) теплообменник 34, подается к впускному трубопроводу тепловой машины через узел 35 питания, тогда как кислород и инертный газ, присутствующие в дополнительной емкости 36 для конденсации-сбора криогенной двуокиси углерода, поступают в компенсатор 25 давления.

Формула изобретения 1. Система для криогенной обработки и накопления продуктов сгорания тепловой машины, содержащая охладитель отработавших газов, отделитель конденсата от охлажденных газов, трубопровод частичного отбора несконденсировавшихся газов во впускной трубопровод тепловой машины, трубопровод выпуска несконденсировавшихся газов в дегидратирующий контур, а котором последовательно размещены компрессор, охладитель газов, трубопровод сжатых газов, сжижающий-перегревающий теплообменник и криогенная емкость для конденсации-сбора двуокиси углерода, резервуар криогенного кислорода и магистраль подачи криогенного кислорода и резервуара и двуокиси углерода из криогенной емкости во впускной трубопровод тепловой машины, причем сжижающий-перегревающий теплообменник включен в магистраль подачи криогенного кислорода из резервуара во впускной трубопровод, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, в криогенной емкости установлен змеевик с испаряющимся жидким кислородом, связанный с резервуаром криогенного кислорода при помощи замкнутого контура с регулирующим клапаном поддержания постоянного давления в кислородном резервуаре.

2. Система по п. 1,отличающаяся тем, что магистраль подачи криогенного кислорода и магистраль подачи двуокиси углерода подключены к впускному трубопроводу через успокоитель давления.

Изобретение позволяет повысить эффективность системы для криогенной обработки и накопления продуктов сгорания тепловой машины. Из тепловой машины 2 отработавшие газы поступают в охладитель 8, а затем в отделитель 9 конденсата. По трубопроводу 10 часть осушенных газов через смесительную емкость 31 поступает во впускной трубопровод тепловой машины 2. Конденсат по дренажной линии 11 поступает в резервуар 14, а оставшиеся в отделителе 9 несконденсировавшиеся газы поступают в дегидратирующий контур, в котором последовательно размещены компрессор 3, охладитель 4 газов, сжижающий- перегревающий теплообменник 20 и криогенная емкость 22 для конденсации-сбора двуокиси углерода. В емкости 22 оасполо- жен змеевик 23, а резервуар 21 для криогенного кислорода расположен над емкостью 22 и сообщен со змеевиком, в котором происходит испарение кислорода, при помощи замкнутого контура с регулирующим клапаном 26. Пары кислорода поступают во впускной трубопровод машины 2 для поддержания требуемого состава смеси. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. со XI ю о ю 4 со Рнг. /

Фиг.Z

,

. j