Энергетическая установка замкнутого цикла и способ управления ее работой

 

Изобретение может быть использовано при создании воздухонезависимых энергетических установок с тепловыми двигателями, работающими в замкнутых объектах или в условиях аномального состояния атмосферы. Работа установки основана на очистке и обогащении отработанных газов за счет взаимодействия с газообразным кислородом и расплавом щелочи, которые одновременно получают путем соединения (в бункерах-реакторах) твердого кислородоносителя - технической надперекиси натрия, с водой. Продуктом реакции взаимодействия являются сода в виде водного раствора, который отводится в ресивер, и вода, которая утилизируется в цикле или выводится во внешнюю среду. Смесь очищенных газов с кислородом осушается, кондиционируется по парциальному составу и температуре, обогащается смесью инертных газов - гелия и аргона, и при работе по замкнутому циклу подводится к тепловому двигателю (двигатель внутреннего сгорания или газовая турбина) для сжигания. Установка содержит по крайней мере один тепловой двигатель с водоводяным охлаждением, систему очистки отработанных газов и подготовки искусственной газовой смеси, включающую антипульсатор, контактные теплообменники, смеситель-нейтрализатор, соединенный с бункерами-реакторами, а также фазовые разделители (газ-жидкость), ресиверы продуктов очистки отработанных газов и искусственной газовой смеси. Бункера-реакторы служат также для накопления соды, закачиваемой в них насосами из ресивера после израсходования твердого кислородоносителя. Технический результат заключается в повышении качества искусственной газовой смеси, комбинированного использования твердого кислородсодержащего реагента, снижающего энергопотребление и массогабаритные характеристики установки. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, и может быть использовано для создания воздухонезависимых энергетических установок подводных транспортных средств, аварийно-спасательных средств и специальной техники, оснащенных тепловыми двигателями (двигателями внутреннего сгорания, газовыми турбинами) и функционирующих в условиях аномального состояния атмосферы или в замкнутых объектах.

Известна воздухонезависимая энергетическая установка замкнутого цикла (шестицилиндровый дизель модели Д2566 ME компании MAN, 1986, - Судостроение за рубежом, 1991, N 12, 64-65) с абсорбцией диоксида углерода химическим поглотителем и подготовкой искусственной газовой смеси, содержащей кислород и инертный газ, в качестве которого использован аргон, улучшающий термодинамические свойства газовой смеси.

Известная установка содержит двигатель, выпускной газовый тракт с запорным органом, соединенный с охладителем, имеющим встроенный отделитель конденсата (1 ступень), соединенный с охладителем ротационный абсорбер с реагентом-раствором едкого кали KOH - поглотителем диоксида углерода, охладитель - отделитель щелочи от газовой смеси (2 ступень) и камеру смешения для подпитки искусственной газовой смеси кислородом и аргоном, содержащимся в баллонах.

Количество кислорода, который подают в систему, определяют по нагрузке дизеля и поддерживают в избыточном количестве, соответствующем более чем двухкратному избытку воздуха.

Недостатком известного устройства является необходимость использования цистерны с жидким кислородом, что повышает пожароопасность установки.

Недостаток способа управления известной установкой состоит в трудоемкости контроля состава смеси и неоптимальности расходования кислорода.

Известны воздухонезависимые энергетические установки, в которых использованы твердые кислородоносители для очистки и обогащения отработанных газов кислородом для получения искусственной газовой смеси.

Известен двигатель внутреннего сгорания (США, патент N 3702110, F 02 B 47/00, 1972), включающий рекуперативный теплообменник, в котором отработанные газы двигателя охлаждаются неконтактным способом до температуры конденсации водяных паров, реакционный объем, в котором газы после обработки в упомянутом теплообменнике взаимодействуют с твердым кислородоносителем, выделяющим кислород, что сопровождается выведением из смеси газов диоксида углерода, а также обогащением их кислородом перед подачей в двигатель. Известное устройство снабжено также датчиком концентрации кислорода на впуске газовой смеси в двигатель, по сигналу которого управляют объемом отработанных газов, контактирующих с кислородоносителем, и тем самым регулируют содержание кислорода в искусственной газовой смеси.

Недостатком известного устройства является отсутствие гарантии надежной работы системы подготовки искусственной газовой смеси, что обусловлено большой инерционностью химических реакций вещества в твердой фазе и нестабильностью концентрации кислорода, особенно ощутимыми на переходных режимах эксплуатации двигателя. Кроме того, теплообменник имеет повышенные габариты для обеспечения неконтактного охлаждения, в нем могут накапливаться несгоревшие продукты сгорания топлива, выброшенные из цилиндров двигателя вместе с отработанными газами, а моторесурс двигателя заметно падает из-за высокой влажности искусственной газовой смеси при наличии перепуска отработанных газов на впуск.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с патентом N 3702110, США, МПК F 02 B 47/00, 1972, в соответствии с которым отработанные газы двигателя охлаждают неконтактным способом до температуры конденсации водяных паров, отделяют конденсат, обеспечивают контакт осушенных отработанных газов с твердым кислородоносителем для поглощения диоксида углерода и одновременного обогащения газовой смеси кислородом, причем концентрацию кислорода в ней регулируют в зависимости от концентрации кислорода на впуске в двигатель путем соответствующего изменения количества отработанных газов, контактирующих с твердым кислородоносителем.

Недостатком известного способа является снижение выходной мощности двигателя из-за недостаточно полного осушения искусственной газовой смеси, сложность управления процессом получения кислорода при использовании твердого кислородоносителя.

Известна энергетическая установка замкнутого цикла, реализующая способ работы энергетической установки с двигателем внутреннего сгорания и жидкостной системой охлаждения (СССР, а.с. 1778333, F 02 B 47/10, 1992), предусматривающий получение искусственной газовой смеси путем отделения диоксида углерода от смеси отработанных газов, их осушения и обогащения кислородом, который получают в результате реакционного взаимодействия рабочего вещества - твердого кислородоносителя - с водой. Особенностью процесса является то, что побочный продукт реакционного взаимодействия является абсорбентом, поглощающим воду и диоксид углерода, что позволяет реализовать одновременно процессы очистки и осушения отработанных газов и процесс обогащения их кислородом. Режим подачи кислорода и воды определяется концентрацией кислорода в отработанных газах и величиной нагрузки на дизель.

Известная установка имеет ДВС (дизель-генератор) с камерой сжигания топлива и коллектором отвода отработанных газов, газовыпускное устройство, водоводяной охладитель ДВС, устройство водозабора, устройство воздухозабора, систему очистки отработанных газов и подготовки искусственной газовой смеси, включающую бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента (твердого кислородоносителя), соединенный с трубопроводом воды водоводяного охладителя ДВС и коллектором отвода отработанных газов, реакционную камеру, соединенную с коллектором отвода отработанных газов, упомянутым бункером для размещения твердого кислородоносителя, а также с ресивером продуктов очистки отработанных газов, охладитель-промыватель для контактного теплообмена и водяного охлаждения выводимой из реакционной камеры газовой фазы, который соединен с упомянутым трубопроводом воды водоводяного охладителя ДВС, а также со средствами контроля парциального состава отработанных газов (концентрации кислорода) и рабочей нагрузки по типу отрицательной обратной связи, фазовый разделитель, соединенный с ресивером и коллектором подачи подготовленной искусственной газовой смеси (ИГС) в камеру сжигания ДВС.

При этом в качестве твердого кислородоносителя используют чистый надпероксид щелочных металлов, например NaO₂.

Недостатком известной установки является сниженная выходная мощность, что обусловлено повышенным газодинамическим сопротивлением на выпуске отработанных газов при наличии в потоке твердого кислородсодержащего реагента, обеспечивающего связывание углекислого газа, а также гранулометрическим составом самого реагента, который должен быть измельчен для обеспечения необходимой площади поверхности раздела фаз.

Кроме того, трудности вызывает нестационарный характер выделения кислорода из рабочего кислородосодержащего вещества в твердой фазе и обеспечение стехиометрии реагентов по диоксиду углерода при использовании надпероксида натрия NaO₂, что может привести к его избытку в газовом контуре установки и падению выходной мощности.

Недостатком известной установки является также возможность кристаллизации продуктов реакции на стенках трубопровода в газовом контуре вследствие контакта с горячими отработанными газами и последующей закупорки магистралей и остановке двигателя либо кристаллизации щелочи и солей из аэрозоля при охлаждении, что приводит к недостаточной очистке ИГС. Кроме того, твердые продукты кристаллизации сложно удалить из бункеров-накопителей.

Известная установка выбрана в качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства.

Известен способ управления работой энергетической установки замкнутого цикла, реализованный при эксплуатации установки по а.с. 1773333, МПК F 02, включающий сжигание топлива совместно с обогащенной кислородом искусственной газовой смесью, отведение отработанных газов, их очистку сепарированием диоксида углерода и воды путем соединения газов с твердым кислородсодержащим реагентом на основе оксида щелочного металла (надпероксид натрия) в процессе его гидролиза и последующего отвода продуктов реакции, бункеровку твердых продуктов, одновременное с очисткой обогащение кислородом газожидкостной смеси, разделение обогащенной газожидкостной смеси на фазе с получением искусственной газовой смеси и ее кондиционирование по парциальному содержанию газов в смеси и температуре перед присоединением к топливу.

Однако известный способ не позволяет получить устойчивый и экономный режим работы, так как для эффективного контакта отработанных газов с твердым кислородсодержащим реагентом в процессе его гидролиза сложно обеспечить необходимую степень диспергирования реагента для получения адекватной площади поверхности раздела фаз. При отсутствии эффективной дисперсности реагента возрастает газодинамическое сопротивление на выпуске отработанных газов из двигателя, а также происходит неполное удаление из смеси углекислого газа из-за недостижения стехиометрических соотношений реагентов, что в обоих случаях приводит к снижению выходной мощности двигателя.

Кроме того, в случае неполного разделения газожидкостной смеси на фазы, т. е. наличия в ИГС аэрозоли щелочи и солей, вероятна кристаллизация последних на стенках трубопроводов и цилиндров двигателя с соответствующим снижением моторесурсов, вплоть дозакупоривания магистралей и остановки двигателя.

Известный способ выбран в качестве наиболее близкого аналога заявляемого способа.

Задача изобретения заключается в повышении экономичности и улучшении эксплуатационных характеристик установки в отношении устойчивости и надежности работы двигателя и повышения его выходной мощности.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в повышении качества искусственной газовой смеси, комбинированного использования твердого кислородсодержащего реагента, снижающего энергопотребление и массогабаритные характеристики установки и обеспечивающего устойчивый процесс очистки и обогащения кислородом искусственной газовой смеси.

Задача решена тем, что известная энергетическая установка замкнутого цикла, включающая по крайней мере один тепловой двигатель с водоводяным охладителем, коллектор отвода отработанных газов, газовыпускное устройство установки, коллектор подачи искусственной газовой смеси (ИГС) в тепловой двигатель, систему очистки отработанных газов и подготовки ИГС, имеющую реакционную камеру, бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента, подключенный к нему трубопровод подачи воды, охладитель-промыватель, первый фазовый разделитель, ресивер продуктов очистки отработанных газов и ресивер подготовленной ИГС, соединенный с коллектором подачи ИГС в тепловой двигатель, а также средства контроля парциального состава газовой смеси, устройство забора воздуха и устройство водозабора, в соответствии с изобретением снабжена антипульсатором, теплообменником, смесителем-нейтрализатором, вторым фазовым разделителем, фильтром дополнительной очистки ИГС, подогревателем и регулятором перепуска ИГС, а также источником инертного газа, при этом реакционная камера и бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента объединены в единый объем, выполненный в виде ряда бункеров-реагентов, каждый из которых имеет накопительную камеру, которые соединены между собой посредством запорных органов, коллектор отвода отработанных газов двигателя соединен с антипульсатором и через запорный орган - с газовыпускным устройством установки, а через подогреватель - с системой очистки и подготовки ИГС, в которой установлены последовательно теплообменник, смеситель-нейтрализатор, первый фазовый разделитель, охладитель-промыватель и второй фазовый разделитель, первый выход которого через фильтр дополнительной очистки ИГС, подогреватель и ресивер подготовленной ИГС, соединенный через запорные органы с устройством воздухозабора и источником инертного газа, соединен с коллектором подачи ИГС в двигатель, а через регулятор перепуска - с газовыпускным устройством установки, причем водоводяной охладитель посредством трубопровода подачи воды через общий запорный орган соединен со вторыми входами упомянутых теплообменника, охладителя-промывателя и через дополнительно установленные регуляторы расхода воды - с вводами упомянутых бункеров-реакторов, выходы которых соединены через промежуточный общий ресивер и насос со вторым входом упомянутого смесителя-нейтрализатора, причем вторые входы первого и второго фазовых разделителей соединены соответственно с ресивером жидких продуктов очистки отработанных газов, выход которого через насос соединен с накопительными камерами бункеров-реакторов и ресивером отепленной воды, выход которого через насос и запорные органы соединен с трубопроводом подачи воды и внешней средой.

Кроме того, накопительные камеры бункеров-реакторов соединены между собой посредством переливных клапанов.

Кроме того, двигатель снабжен регулятором расхода топлива.

Кроме того, на входе антипульсатора установлены дополнительно средства контроля температуры, давления, концентрации кислорода и концентрации диоксида углерода в отработанных газах.

Кроме того, на входе и выходе ресивера ИГС установлены дополнительно средства контроля температуры, давления, концентрации кислорода и концентрации диоксида углерода в ИГС.

Кроме того, на входе регулятора расхода воды установлены дополнительно средства контроля температуры и расхода воды.

Кроме того, на входе общего запорного органа в трубопроводе воды установлены дополнительно средства контроля температуры, давления и расхода воды.

Кроме того, в накопительных камерах бункеров-реакторов размещены дополнительно средства контроля температуры, давления и уровня среды.

Кроме того, источник инертного газа снабжен средством контроля расхода инертного газа.

Кроме того, установка снабжена резервным двигателем, установленным параллельно рабочему.

Задача решена тем, что в известном способе управления работой энергетической установки замкнутого цикла, включающем сжигание топлива в искусственной газовой кислородсодержащей смеси, отведение отработанных газов, их охлаждение, отделение диоксида углерода и воды от отработанных газов, обогащение очищаемых отработанных газов кислородом и инертным газом с получением искусственной кислородсодержащей газовой смеси и ее кондиционирование перед соединением с топливом, а также обеспечение получения кислорода путем гидролиза твердого кислородсодержащего реагента на основе оксида щелочного металла, в соответствии с изобретением охлаждение отработанных газов производят путем контактного взаимодействия их с водой, для которой обеспечивают пленочный режим движения, гидролиз твердого кислородсодержащего реагента ведут путем подачи на него направленного струйного потока воды с получением дополнительно жидкого щелочного реагента, при этом потоку получаемого кислорода сообщают газодинамическое ускорение и диспергируют получаемый жидкий щелочной реагент для образования газожидкостной смеси, которую соединяют с потоком отработанных газов для отделения диоксида углерода путем взаимодействия его с жидкостной фазой упомянутой газожидкостной смеси с образованием жидкого продукта реакции взаимодействия, который отделяют, а газовую фазу упомянутой газожидкостной смеси охлаждают водой контактным путем, осушают и дополнительно подогревают, после чего обогащают инертным газом с получением искусственной кислородсодержащей газовой смеси, кондиционирование которой осуществляют путем задания температуры, давления, концентрации кислорода и диоксида углерода перед соединением с топливом, при этом в качестве твердого кислородсодержащего реагента используют техническую надперекись натрия, содержащую смесь надперекиси натрия NaO₂ и перекиси натрия Na₂O₂.

Кроме того, отработанные газы охлаждают до температуры 100-120^oC.

Кроме того, при гидролизе твердого кислородсодержащего реагента обеспечивают плотность орошения его направленным струйным потоком воды в диапазоне 0,2 - 1,5 кг/м²/с.

Кроме того, гидролиз твердого кислородсодержащего реагента ведут до получения жидкого щелочного реагента с концентрацией 35-70 мас.%.

Кроме того, температуру полученного жидкого щелочного реагента поддерживают в диапазоне 80-120^oC.

Кроме того, отделяемый жидкий продукт реакции взаимодействия диоксида углерода с жидкостной фазой газожидкостной смеси накапливают в бункерах-реакторах после их опорожнения.

Кроме того, температуру упомянутой газовой фазы после осушения устанавливают в диапазоне 50-60^oC.

Кроме того, в качестве инертного газа используют смесь гелия He и аргона Ar в соотношении 1:1, взятую в количестве, обеспечивающем показатель адиабаты топливной смеси 1,5-2.

Кроме того, техническая перекись натрия содержит надперекиси натрия NaO₂ не менее 0.83 мас.ч., а перекиси натрия Na₂O₂ - не более 0,15 мас.ч.

Сущность изобретения заключается в следующем. В предлагаемой установке реакционная камера и бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента совмещены объединением в один объем. При взаимодействии диоксида углерода с жидким щелочным реагентом, образующимся при гидролизе твердого кисдородоносителя - технической надперекиси натрия, продуктами реакции являются сода, объем которой меньше, чем объем израсходованной на ее получение надперекиси натрия, что позволяет хранить соду в освобождающихся емкостях бункеров-реакторов, а также вода, которая утилизируется в технологическом цикле. Струйный поток воды, взаимодействующий с получаемым в ходе гидролиза влажным кислородом, придает газодинамическое ускорение газовой фазе в бункере-реакторе и обеспечивает диспергирование жидкой соды, за счет чего снижается газодинамическое сопротивление в газовых трактах. Организация пленочного режима движения охлаждающей жидкости помогает предотвратить возможную кристаллизацию солей и щелочи на стенках трубопроводов газовых магистралей. Все это позволяет достичь устойчивой и экономичной работы установки, а также улучшить ее массогабаритные характеристики.

Блок-схема установки представлена на чертеже.

Установка содержит тепловой двигатель 1, имеющий водоводяной охладитель 2, соединенный с устройством водозабора 3 и устройством подачи топлива 4. К двигателю 1 подключен коллектор отвода отработанных газов 5 посредством запорного клапана 6. Коллектор 5 через запорный орган 7 подключен к антипульсатору 8, предназначенному для демпфирования пульсаций в газовой магистрали, который через запорный клапан 9 соединен с газовыпускным устройством установки 13, а через запорный орган и регулятор перепуска 10 - с подогревателем 11, который через запорный орган 12 также соединен с газовыпускным устройством установки 13. Подогреватель 11 соединен с системой очистки отработанных газов двигателя 1 трубопроводом, подключенным ко входу теплообменника 14, к другому входу которого подключен трубопровод подачи воды 15 посредством запорного клапана 16, общего распределительного клапана 17 и запорного клапана 18, установленных последовательно. Выход теплообменника 14 соединен со входом смесителя-нейтрализатора 19, ко второму входу которого подсоединен бункер-реактор 20 посредством трубопровода через запорный клапан и промежуточный общий ресивер с насосом 21 для подачи газожидкостной смеси кислорода и других продуктов гидролиза твердого кислородоносителя, а выход смесителя-нейтрализатора 19 соединен со входом первого фазового разделителя 22, один выход которого (жидкостной) через запорный клапан 23 соединен с ресивером жидких продуктов очистки отработанных газов 24, а второй выход фазового разделителя 22 (газовый) соединен со входом охладителя - промывателя 25, другой вход которого подключен к общему распределительному клапану 17 трубопровода подачи воды 15, а выход - ко входу второго фазового разделителя 26. Один выход фазового разделителя 26 (жидкостной) соединен через запорный клапан 27 с ресивером отепленной воды 28, а второй его выход (газовый) соединен с газовым трубопроводом 29, который принимает обогащенную кислородом газовую смесь очищенных отработанных газов (ИГС) и подает ее на фильтр дополнительной очистки ИГС 30, имеющий регулятор перепуска 31, одна ветвь которого - 32 - установлена параллельно фильтру 30, а другая - 33 - параллельно подогревателю ИГС 11. Основным выходом подогреватель ИСГ 11 соединен через запорный орган 12 и газовыпускное устройство установки 13 с атмосферой, а через запорный орган 34 трубопроводом, к которому подсоединены источник инертного газа 35 с редуктором и запорным клапаном, а также, через запорный орган 36, устройство воздухозабора 37 - с ресивером ИГС 38, выход которого через запорный орган 39 подключен коллектором подачи ИГС 40 с запорным органом 41 к двигателю 1.

Ресивер жидких продуктов очистки отработанных газов 24 посредством насоса 42 с его системой запорных органов трубопроводом 43 через запорные органы 44 соединен с накопительной камерой бункера-реактора 20 (с каждой камерой установленных бункеров-реакторов), причем соседние накопительные камеры объединены между собой посредством переливных клапанов 45, а подвод воды к бункерам-реакторам от общего распределительного клапана 17 производится через запорные органы 46. Ресивер отепленной воды 28 посредством насоса 47 с его системой запорных органов посредством трубопровода с запорным органом 48 связан с внешней средой, в частности с заборной водой, а через запорный орган 49 включен в магистральный трубопровод подачи воды 15, соединенный с устройством водозабора 3 через водоводяной охладитель 2 и питающий системы очистки отработанных газов и подготовки ИГС.

Для кондиционирования параметров ИГС и технологического контроля процесса очистки отработанных газов на разных ступенях цикла очистки (или в разных режимах работы) установка снабжена средствами контроля температуры 50 и давления 51 ИГС, концентрации кислорода 52 и концентрации диоксида углерода 53, которые в полном наборе установлены на входе антипульсатора 8 и входе и выходе ресивера ИГС 38. На входе общего запорного органа 17 установлены средства контроля температуры 54, давления 55 и расхода 56 воды, а далее по трубопроводу подачи воды на входе регулятора расхода воды 46, поддерживающего требуемое давление воды в системе, установлены средства контроля температуры 54 и расхода 56 воды, подаваемой на гидролиз твердого кислородоносителя. В накопительных камерах бункеров-реакторов в технологическим процессе используются средства контроля параметров среды - температуры 57, давления 58 и уровня 59. Источник инертного газа снабжен средством контроля расхода инертного газа 60. Контроль состава газовой смеси осуществляется также в незаполненной части ресивера отепленной воды 28 посредством датчиков 52 и 53.

С целью дублирования основного двигателя в установку может быть введен резервный двигатель (1*), схема подключения которого аналогична схеме подключения основного. Они могут быть объединены общим устройством подачи топлива 4, в котором установлен регулятор расхода топлива 61, коллектором отвода отработанных газов 5 и коллектором подачи ИГС 40 при необходимости совместной работы.

Энергетическая установка замкнутого цикла допускает эксплуатацию в четырех основных режимах: 1) режим открытого цикла; 2) режим специального открытого цикла; 3) режим подготовки ИГС; 4) режим замкнутого цикла.

В режиме открытого цикла не предусматривается очистка отработанных газов и подготовка ИГС, поэтому для сжигания топлива в двигателе атмосферный воздух через устройство забора воздуха 37, запорное устройство 36 и ресивер 38 с запорным органом 39 по трубопроводу коллектора подачи ИГС 40 поступает к двигателям, а отработанные газы по коллектору отвода отработанных газов 5 через открытые запорный орган 7, антипульсатор 8, запорный орган 9 и газовыпускное устройство установки 13 удаляется в атмосферу. Контроль и управление работой двигателя осуществляются штатными системами измерения и регулирования.

В режиме специального открытого цикла, который применяется при использовании установки на подводных транспортных средствах в целях снижения вероятности их обнаружения по тепловому возмущению среды отработанными газами установки, производят охлаждение отработанных газов до температур 40-50^oC. Для этого воздух из атмосферы подают через устройство воздухозабора 37 и открытый запорный орган 36 в ресивер ИГС 38, а отработанные газы от двигателя 1 по коллектору 5 через открытый запорный орган 7, антипульсатор 8, запорный орган и регулятор перепуска 10 поступают в теплообменник 14, в который подают поток воды, обеспечивая ее распыление. Контактный теплообмен частиц воды и нагретого газа приводит к испарению воды и снижению температуры газов до 100-120^oC. Далее, поступая через смеситель-нейтрализатор 19, первый фазовый разделитель 22 в охладитель-промыватель 25, поток отработанных газов охлаждается водой до температуры 40-50^oC, причем диоксид углерода частично растворяется в воде, что приводит к некоторому очищению отработанных газов. Поток газов, поступивший из охладителя-промывателя 25 во второй фазовый разделитель 26, осушается, при этом охлажденные и частично очищенные газы через регуляторы перепуска газов 31 и 10, открытый запорный орган 12 и газовыпускное устройство установки 13 уходят в атмосферу. При этом запорные органы 34 и 36 закрыты, а подачей воды в установку от устройства водозабора 3 по трубопроводу 1 через открытый запорный орган 16 и соответствующие открытые элементы общего запорного органа 17 управляют посредством регуляторов расхода воды 46. Жидкостная фаза, отделенная во втором фазовом разделителе 26 от газовой фазы, представляет собой нагретую воду, она поступает через запорный орган 27 в ресивер отепленной воды 28, откуда насосами 47 ее удаляют во внешнюю среду (забортное пространство), открывая запорный орган 48.

Режим подготовки ИГС используется в целях предварительной очистки и кондиционирования отработанных газов (по температуре, парциальному составу) с последующим удалением их во внешнюю среду. Атмосферный воздух поступает через устройство воздухозабора 3, открытый запорный орган 36, ресивер ИГС 38 и открытый запорный орган 39 в трубопровод коллектора подачи ИГС в двигатель 40. Запорные органы 9 и 34 закрыты. Отработанные газы отводятся от двигателя коллектором 5 через открытый запорный орган 7, антипульсатор 8, открытый запорный орган и регулятор перепуска 10 в подогреватель 11, а затем в теплообменник 14, в котором обеспечивают охлаждение газов водой, распыляемой форсункой, до температуры 100 - 120^oC за счет отбора тепла на испарение воды, как описано выше. Дополнительно для охлаждения потока отработанных газов в теплообменник 14 подают воду с обеспечением пленочного режима ее движения.

Охлажденный поток газа подают в смеситель-нейтрализатор 19, в который подают также и газожидкостную смесь кислорода и щелочного реагента для химического связывания углекислого газа с целью удаления его из газовой смеси и обогащения смеси газов кислородом с целью получения искусственной газовой смеси с заданным парциальным составом.

Газожидкостную смесь кислорода со щелочным реагентом получают путем гидролиза твердого кислородсодержащего реагента на основе оксида щелочного металла, в качестве которого используют техническую надперекись натрия, содержащую не менее 0,83 мас.ч. надперекиси натрия NaO₂ и не более 0,15 мас. ч. перекиси натрия Na₂O₂. Получение кислорода и щелочного реагента осуществляют в объеме бункера-реактора 20, в котором в собственно реакционной части объема размещают некоторое количество твердого кислородоносителя и в нее же от магистрального трубопровода воды 15 через общий запорный орган 17 и регулятор расхода воды 46 подают воду, причем процесс гидролиза щелочного реагента ведут в определенном режиме. На твердый кислородоноситель перпендикулярно его поверхности направляют тонкими струями поток воды, обеспечивая плотность орошения в диапазоне 0,2 - 1,5 кг/кв.²/с, что соответствует получению расчетного количества кислорода, равного 50-100% от необходимого для обеспечения сжигания топлива, а также расчетного количества щелочи, необходимого для химического связывания диоксида углерода.

В результате гидролиза технической надперекиси натрия в бункере-реакторе образуется газожидкостная смесь, состоящая из газообразного кислорода, водяного пара и расплава щелочи едкого натра NaOH, концентрация которой в смеси составляет 35-70 мас.%. Температура газожидкостной смеси находится в пределах 80-120^oC.

Подачу газожидкостной смеси из бункера-реактора 20 через промежуточный запорный орган и общий ресивер 21 с насосом в смеситель-нейтрализатор 19 производят под давлением, обеспечивающим газодинамическое ускорение газовой фазы в смесителе-нейтрализаторе 19 и достижение скорости потока отработанных газов в диапазоне 75-150 м/с. При такой скорости потока газов достигается эффективное диспергирование жидкостной фазы газожидкостной смеси - расплава щелочи, что обеспечивает одновременно взаимодействие диоксида углерода CO₂ с едким натром NaOH с образованием карбоната натрия Na₂CO₃ (углекислого натрия, далее - соды) и воды, и обогащение очищенной от диоксида углерода газовой фазы кислородом. В смесителе-нейтрализаторе 19 в газожидкостной смеси сода находится в виде водного раствора.

Газожидкостную смесь из смесителя-нейтрализатора 19 подают в первый фазовый разделитель 22, в котором жидкостная фаза отделяется инерционным путем, и через запорный орган 23 подают в ресивер жидких продуктов очистки отработанных газов 24 (далее - ресивер соды 24). Газовую фазу из первого фазового разделителя 22 направляют в охладитель-промыватель 25, к которому через общий запорный орган 17 подведена вода из магистрального трубопровода 15. Воду для охлаждения поступающего потока газов подают под давлением, обеспечивая скорость потока воды 90-100 м/с и коэффициент удельного орошения 2,0 - 4,0 кг/м³, что позволяет снизить температуру газов до 30-40^oC. Образующуюся в охладителе-промывателе 25 газожидкостную смесь, представленную очищенными и обогащенными кислородом отработанным газами и водой, подают во второй фазовый разделитель 26, в котором происходит отделение воды от газа (осушение газовой фазы). Отделяемая осушенная смесь газов (ИГС) по трубопроводу 29 подается на фильтр дополнительной очистки ИГС 30, а затем в подогреватель 11 для нагрева до температур 50-60^oC и придания ей необходимых теплофизических характеристик и далее в ресивер ИГС 38. ИГС, поступившая в ресивер 38, обогащается дополнительной смесью инертных газов, замещающих выгорающий азот в термодинамическом цикле сжигания топлива, причем смесь инертных газов вводят в таких количествах и пропорциях, которые обеспечивают нужный для наиболее экономичного режима работы двигателя показатель адиабатического сжатия смеси. В частности, в качестве смеси инертных газов может быть использована смесь гелия He и аргона Ar в соотношении 1:1, взятая в количестве, обеспечивающем показатель адиабаты топливной смеси 1,5 - 2. Смесь инертных газов поступает в ресивер ИГС из источника инертных газов 35. Вода же, отделяемая от газовой фазы во втором фазовом разделителе 26, через запорный клапан 27 поступает в ресивер отепленной воды 28, откуда может быть либо выведена во внешнюю среду через запорный орган 48, либо введена в магистральный трубопровод 15 через запорный орган 49.

Раствор соды, накопленный в ресивере 24, связанном трубопроводом подвода соды 43 с бункером-реактором 20, после израсходования твердого кислородоносителя и опорожнения бункера-реактора 20 закачивается в него посредством насосов 42 при открытом запорном клапане 44. При наличии в системе ряда бункеров-реакторов, соединенных переливными клапанами, кислород, находящийся в бункере-реакторе после израсходования твердого кислородоносителя, вытесняется в соседний бункер-реактор и участвует в процессе очистки и обогащения отработанных газов, осуществляемого с помощью последовательно подключаемых бункеров-реакторов. При этом вытесняемый влажный кислород участвует также в процессе гидролиза негидролизованной части твердого кислородоносителя, отдавая влагу, что дополнительно осушает газовую фазу - кислород, поступающий на обогащение смеси отработанных газов.

Работа двигателя в режиме замкнутого цикла организуется по схеме режима подготовки ИГС, которая после ресивера 38 по коллектору подачи ИГС через открытый запорный орган 41 направляется в камеры сгорания двигателя. При этом запорные органы 12 и 36 закрыты.

При управлении замкнутым циклом работы двигателя параметры среды (отработанных газов, воды, газожидкостной фазы, продуктов реакционного взаимодействия, инертных газов, а также расхода топлива), проходят контроль на каждом технологическим этапе цикла очистки и подготовки ИГС, что позволяет оптимизировать режим работы установки и повысить КПД двигателя, снизить тепловые и газожидкостные выбросы в окружающую среду.

Энергетическая установка мощностью 10 кВт, выполненная по предлагаемой схеме и управляемая в соответствии с заявленным способом, которая использует в качестве единого источника кислорода и щелочи техническую надперекись натрия, серийно выпускаемую отечественной промышленностью, прошла стендовые испытания, показав высокие эксплуатационные характеристики и полную пожаробезопасность при использовании твердого кислородоносителя, а также полное соответствие экологическим требованиям. Удельные массогабаритные показатели установки находятся на уровне аналогичных показателей установок с электрохимическими генераторами, а стоимостные - на порядок ниже. Возможность быстрого пуска и приема номинальной нагрузки (10-15 с), а также остановки и консервации на любой по продолжительности промежуток времени придает установке специфические свойства, что позволит широко использовать их, в частности, на подводных транспортных средствах.

Формула изобретения

1. Энергетическая установка замкнутого цикла, включающая по крайней мере один тепловой двигатель с водоводяным охладителем, коллектор отвода отработанных газов, газовыпускное устройство установки, коллектор подачи искусственной газовой смеси (ИГС) в двигатель, систему очистки отработанных газов и подготовки ИГС, имеющую реакционную камеру, бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента, подключенный к нему трубопровод подачи воды, охладитель-промыватель, первый фазовый разделитель, ресивер продуктов очистки отработанных газов и ресивер подготовленной ИГС, соединенный с коллектором подачи ИГС в тепловой двигатель, а также средства контроля парциального состава газовой смеси, устройство забора воздуха и устройство водозабора, отличающаяся тем, что она снабжена антипульсатором, теплообменником, смесителем-нейтрализатором, вторым фазовым разделителем, фильтром дополнительной очистки ИГС, подогревателем и регулятором перепуска ИГС, а также источником инертного газа, при этом реакционная камера и бункер для размещения твердого кислородсодержащего реагента объединены в единый объем, выполненный в виде ряда бункеров-реакторов, каждый из которых имеет накопительную камеру, которые соединены между собой посредством запорных органов, коллектор отвода отработанных газов двигателя соединен с антипульсатором и через запорный орган - с газовыпускным устройством установки, а через подогреватель - с системой очистки и подготовки ИГС, в которой установлены последовательно теплообменник, смеситель-нейтрализатор, первый фазовый разделитель, охладитель-промыватель и второй фазовый разделитель, первый выход которого через фильтр дополнительной очистки ИГС, подогреватель и ресивер подготовленной ИГС, соединенный через запорные органы с устройством воздухозабора и источником инертного газа, соединен с коллектором подачи ИГС в двигатель, а через регулятор перепуска - с газовыпускным устройством установки, причем водоводяной охладитель посредством трубопровода подачи воды через общий запорный орган соединен со вторыми входами упомянутых теплообменника, охладителя-промывателя и через дополнительно установленные регуляторы расхода воды - с вводами упомянутых бункеров-реакторов, выходы которых соединены через промежуточный общий ресивер и насос со вторым входом упомянутого смесителя-нейтрализатора, причем вторые входы первого и второго фазовых разделителей соединены соответственно с ресивером жидких продуктов очистки отработанных газов, выход которого через насос соединен с накопительными камерами бункеров-реакторов и ресивером отепленной воды, выход которого через насос и запорные органы соединен с трубопроводом подачи воды и внешней средой.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что накопительные камеры бункеров-реакторов соединены между собой посредством переливных клапанов.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что двигатель снабжен регулятором расхода топлива.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе антипульсатора установлены дополнительно средства контроля температуры, давления, концентрации кислорода и концентрации диоксида углерода в отработанных газах.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе и выходе ресивера ИГС установлены дополнительно средства контроля температуры, давления, концентрации кислорода и концентрации диоксида углерода в ИГС.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе регулятора расхода воды установлены дополнительно средства контроля температуры и расхода воды.

7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на входе общего запорного органа в трубопроводе воды установлены дополнительно средства контроля температуры, давления и расхода воды.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в накопительных камерах бункеров-реакторов размещены дополнительно средства контроля температуры, давления и уровня среды.

9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что источник инертного газа снабжен средством контроля расхода инертного газа.

10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка снабжена резервным двигателем, установленным параллельно рабочему.

11. Способ управления работой энергетической установки замкнутого цикла, включающий сжигание топлива в искусственной газовой кислородсодержащей смеси, отведение отработанных газов, их охлаждение, отделение диоксида углерода и воды от отработанных газов, обогащение очищаемых отработанных газов кислородом и инертным газом с получением искусственной кислородсодержащей газовой смеси и ее кондиционирование перед соединением с топливом, а также обеспечение получения кислорода путем гидролиза твердого кислородсодержащего реагента на основе оксида щелочного металла, отличающийся тем, что охлаждение отработанных газов производят путем контактного взаимодействия их с водой, для которой обеспечивают пленочный режим движения, гидролиз твердого кислородсодержащего реагента ведут путем подачи на него направленного струйного потока воды с получением дополнительно жидкого щелочного реагента, при этом потоку получаемого кислорода сообщают газодинамическое ускорение и диспергируют получаемый жидкий щелочной реагент для образования газожидкостной смеси, которую соединяют с потоком отработанных газов для отделения диоксида углерода путем взаимодействия его с жидкостной фазой упомянутой газожидкостной смеси с образованием жидкого продукта реакции взаимодействия, который отделяют, а газовую фазу упомянутой газожидкостной смеси охлаждают водой контактным путем, осушают и дополнительно подогревают, после чего обогащают инертным газом с получением искусственной кислородсодержащей газовой смеси, кондиционирование которой осуществляют путем задания температуры, давления, концентрации кислорода и диоксида углерода перед соединением с топливом, при этом в качестве твердого кислородсодержащего реагента используют техническую надперекись натрия, содержащую смесь надперекиси натрия NaO₂ и перекиси натрия Na₂O₂.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что отработанные газы охлаждают до 100 - 120^oC.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что при гидролизе твердого кислородсодержащего реагента обеспечивают плотность орошения его направленным струйным потоком воды 0,2 - 1,5 кг/м²/с.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что гидролиз твердого кислородсодержащего реагента ведут до получения жидкого щелочного реагента с концентрацией 35 - 70 мас.%.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что температуру полученного жидкого щелочного реагента поддерживают 80 - 120^oC.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что отделяемый жидкий продукт реакции взаимодействия диоксида углерода с жидкостной фазой газожидкостной смеси накапливают в бункерах-реакторах после их опорожнения.

17. Способ по п.11, отличающийся тем, что температуру упомянутой газовой фазы после осушения устанавливают 50 - 60^oC.

18. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют смесь гелия He и аргона Ar в соотношении 1 : 1, взятую в количестве, обеспечивающем показатель адиабаты топливной смеси 1,5 - 2.

19. Способ по п.11, отличающийся тем, что техническая надперекись натрия содержит надперекиси натрия NaO₂ не менее 0,83 мас.ч., а перекиси натрия Na₂O₂ - не более 0,15 мас.ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1