Анаэробная энергохолодильная установка с двигателем стирлинга

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной установки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и специальных сооружений. При работе двигатель Стирлинга производит полезную энергию, передаваемую потребителю мощности. Для охлаждения двигателя используется система охлаждения с теплообменниками-охладителями. Отработанные газы из камеры сгорания подаются в химический реактор. В реакторе образуется синтез-газ, используемый в дальнейшем в качестве горючего для двигателя. Синтез-газ поступает в парогенератор пароэжекторной холодильной машины, в испарителе которой генерируется холод, передаваемый в систему холодоснабжения объекта. Жидкий кислород насосом подается в теплообменник, где он охлаждает жидкость системы охлаждения до низкой температуры. Затем он в газообразном состоянии, расширяясь в детандере с получением полезной работы, используется в качестве окислителя для двигателя. Для снятия части тепловой нагрузки с двигателя и холодильной машины используется техническая охлаждающая жидкость. Использование изобретения позволит повысить КПД двигателя Стирлинга, получить низкопотенциальную энергию в виде холода для систем специального окислителя. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве энергохолодильной установки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например, глубоководных аппаратов и специальных сооружений.

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее в себя камеру сгорания, нагреватель, регенератор, холодильник и поршневую группу (Г.Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986, с. 55). Однако для двигателя Стирлинга, чем ниже температура охлаждающей среды, тем выше его КПД Известна анаэробная (работающая без потребления атмосферного воздуха) вспомогательная энергетическая установка с двигателями Стирлинга, причем окислитель, кислород, хранится в жидком состоянии в теплоизолированном баке, обеспечивающим минимальный уровень поглощения тепла от окружающей среды. Однако низкотемпературный потенциал жидкого кислорода не используется ля повышения КПД двигателя путем понижения минимальной температуры цикла двигателя до значений ниже температуры охлаждающей заборной воды (Батырев А.Н., Кошеверов В. Д. , Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С.-Пб: Судостроение, 1994. - С. 217).

Известна принципиальная схема пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя испаритель, пароструйный компрессор (эжектор), конденсатор, парогенератор, насос, дроссельный вентиль (М.В. Урушев. Холодильные установки. Л.: ЛВВИСКУ, 1979. - C. 139).

Известна энергетическая установка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга и тепловую машину, работающую за счет теплоты отработанных газов двигателя и генерирующую холод, для снижения минимальной температуры цикла двигателя Стирлинга (патент РФ N 2099564, F 02 G 5/00. Бюл. N 35 от 20.12.97). Однако данная установка не предназначена для выработки тепловой энергии.

Известна анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга, использующая в качестве горючего синтез-газ, генерируемый внутри самой установки, включающая в себя основной двигатель. Стирлинга, магистраль подачи окислителя с криогенной емкостью, систему получения синтез-газа и тепловую машину, работающую за счет термодинамического потенциала отработанных сред основного двигателя (патент РФ N 2099563, F 02 G 1/04. Бюл. N 35 от 20.12.97.). Однако в качестве тепловой машины используется двигатель, преобразователь прямого цикла, что не позволяет непосредственно получать холод за счет теплоты отработанных сред основного двигателя, при этом данная схема непосредственного охлаждения двигателей криогенным окислителем приводит к необходимости наличия большого объема жидкого кислорода.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД двигателей Стирлинга и всей установки в целом, получении низкопотенциальной энергии в виде холода для систем холодоснабжения специального объекта, сокращении объемов криогенного окислителя.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергохолодильная установка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга, магистраль подачи окислителя с криогенной емкостью, систему получения синтез-газа и тепловую машину, работающую за счет термодинамического потенциала отработанных сред основного двигателя, снабжена магистралью технической охлаждающей жидкости, замкнутым контуром охлаждения двигателя Стирлинга с насосом и двумя теплообменниками-охладителями, через первый из которых проходит магистраль технической охлаждающей жидкости, а через второй - магистраль подачи окислителя в двигатель, а также пароэжекторной холодильной машиной, в качестве тепловой машины, с парогенератором и пароперегревателем, используемых в качестве теплообменников-утилизаторов высокопотенциальной теплоты синтез-газа, и испарителем, через который проходит магистраль системы холодоснабжения объекта, при этом через конденсатор холодильной машины проходит магистраль технической охлаждающей жидкости, идущая от теплообменника-охладителя двигателя, причем в этой магистрали между двигателем и холодильной машиной установлена регулирующая линия с клапаном.

Введение в состав анаэробной энергохолодильной установки с двигателем Стирлинга магистрали технической охлаждающей жидкости, пароэжекторной холодильной машины с парогенератором и пароперегревателем, в которых утилизируется высокотемпературная теплота синтез-газа, связанной с замкнутым контуром системы охлаждения двигателя магистралью технической охлаждающей жидкости, и испарителем, с проходящей через него магистралью системы холодоснабжения объекта, а также наличие в контуре системы охлаждения двигателя второго теплообменника-охладителя с проходящей через него магистралью окислителя, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности использования теплового потенциала синтез-газа для получения холода, снижение минимальной температуры цикла двигателя Стирлинга ниже температуры технической охлаждающей жидкости, а также уменьшение расхода криогенной окислителя на охлаждения двигателя.

На чертеже изображена анаэробная энергохолодильная установка с двигателем Стирлинга.

Анаэробная установка включает в себя двигатель Стирлинга 1 с камерой сгорания 2, холодильником 3, потребителем мощности 4, расположенным на одном валу с двигателем 1, замкнутым контуром системой охлаждения 6, состоящим из теплообменника-охладителя 6, теплообменника-охладителя 7 и насоса 8, пароэжекторную холодильную машину 9, включающую в себя парогенератор 10, пароперегреватель 11, эжектор 12, конденсатор 13, насос 14, дроссельный клапан 15, испаритель 16, систему получения синтез-газа, содержащую линию подвода отработанных газов 17, реактор 18, бункер с щелочноземельным металлом 19, накопитель твердых продуктов реакции 20, сепаратор 21, линию синтез-газа 22, проходящую через пароподогреватель 11 и парогенератор 10 в камеру сгорания 2, магистраль подачи криогенного окислителя, проходящую через теплообменник-охладитель 6 и включающую в себя теплоизолированную емкость с жидким кислородом 23, насос 24, детандер 25 и газоход 26. Для снятия части тепловой нагрузки с двигателя 1 и конденсации пара в конденсаторе 13 предусмотрена магистраль охлаждающей жидкости (например, воды) 27, проходящая сначала через теплообменник-охладитель 7, а затем через конденсатор 13. Для регулирования количества охлаждающей жидкости, подаваемой в конденсатор 13, предусмотрена регулирующая линия 28 с клапаном 29. Магистраль 30 системы холодоснабжения объекта проходит через испаритель 16.

Анаэробная энергохолодильная установка с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

Для начала работы предусмотрена система предварительного пуска двигателя Стирлинга 1 (не показана). После пуска отработавшие газы из камеры сгорания 2 поступают по линии отработанных газов 17 в реактор 18, куда из бункера 19 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В реакторе 18 происходит обработка газов с выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1500 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Более того, образовавшаяся в реакции смесь окиси углерода и водорода представляет собой так называемый синтез-газ, который может использоваться в качестве горючего для двигателя Стирлинга 1. Твердые продукты реакции собираются в накопителе 20, а газообразные через сепаратор 21 поступают по линии 22 в пароперегреватель 11 и парогенератор 10, где срабатывают часть термодинамического потенциала, отдавая тепло рабочему телу холодильной машины 9, и затем поступают в камеру сгорания 2, куда подается газообразный кислород из теплоизолированной емкости 23. В камере сгорания 2 синтез-газ и кислород сгорают, а образовавшееся тепло передается рабочему телу двигателя 1. Полученное тепло двигателем Стирлинга 1 преобразуется в полезную мощность, отдаваемую потребителю 4. Для охлаждения двигателя 1 используется система охлаждения 5, в которой охлаждающая жидкость сначала охлаждается в теплообменнике-охладителе 7 до температуры технической охлаждающей жидкости, подаваемой магистралью 27, а затем в теплообменнике-охладителе 6 и с помощью насоса 8, возвращается в холодильник 3 двигателя 1.

Предварительно перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем, в теплоизолированной емкости 23 запасается необходимое (расчетное) количество жидкого кислорода. С момента ограничения связи с атмосферой жидкий кислород насосом 24 подается из емкости 23 в теплообменник-охладитель 6, где охлаждает охлаждающую жидкость системы охлаждения 5 до низкой температуры, тем самым повышая КПД двигателя Стирлинга 1. За счет принятой теплоты жидкий кислород испаряется и перегревается. Перегретый газообразный кислород с высоким давлением, образовавшимся при фазовом переходе, направляется в детандер 25, где расширяется с получением полезной работы, а затем кислород поступает в камеру сгорания 2 по газоходу 26 и используется в качестве окислителя.

Синтез-газ, проходя через пароперегреватель 11 и парогенератор 10, образует пар высокого давления в холодильной машине 9. Пар из пароперегревателя 11 поступает в эжектор 12, за счет чего из испарителя 16 отсасываются пары хладоносителя с понижением давления в испарителе 16. После этого пар поступает в конденсатор 13, где он конденсируется, при этом часть конденсата с помощью насоса 14 подается в парогенератор 10, а другая часть, проходя через дроссельный вентиль 15, поступает в испаритель 16. За счет низкого давления в испарителе 16, часть конденсата испаряется, а другая часть охлаждается. Полученный холод транспортируется по магистрали 30 в систему холодоснабжения объекта.

Для снятия части тепловой нагрузки с двигателя 1 и холодильной машины 9 техническая охлаждающая жидкость по магистрали 27 проходит сначала через теплообменник-охладитель 7, а затем через конденсатор 13. Для регулирования количества охлаждающей жидкости, подаваемой в конденсатор 13, предусмотрена регулирующая линия 28 с клапаном 29, обеспечивающая движение жидкости в разных направлениях.

Источники информации 1. Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга.- М.: Мир, 1986, с. 55.

2. Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран.- С.-Пб: Судостроение, 1994, с. 217.

3. Урушев М.В. Холодильные установки.- Л.: ЛВВИСКУ, 1979.- C. 139.

4. Патент РФ N 2099564, F 02 G 5/00. Бюл. N 35 от 20.12.97.

5. Патент РФ N 2099563, F 02 G 1/04. Бюл. N 35 от 20.12.97. - прототип.

Формула изобретения

Анаэробная энергохолодильная установка с двигателем Стирлинга, включающая в себя двигатель Стирлинга, магистраль подачи окислителя с криогенной емкостью, систему получения синтез-газа и тепловую машину, работающую за счет термодинамического потенциала отработанных сред основного двигателя, отличающаяся тем, что снабжена магистралью технической охлаждающей жидкости, замкнутым контуром охлаждения двигателя Стирлинга с насосом и двумя теплообменниками-охладителями, через первый из которых проходит магистраль технической охлаждающей жидкости, а через второй - магистраль подачи окислителя в двигатель, а также пароэжекторной холодильной машиной в качестве тепловой машины с парогенератором и пароперегревателем, используемыми в качестве теплообменников-утилизаторов высокопотенциальной теплоты синтез-газа, и испарителем, через который проходит магистраль системы холодоснабжения объекта, при этом через конденсатор холодильной машины проходит магистраль технической охлаждающей жидкости, идущая от теплообменника-охладителя двигателя, причем в этой магистрали между двигателем и холодильной машиной установлена регулирующая линия с клапаном.

РИСУНКИ

Рисунок 1