Анаэробная энергохолодильная установка

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. В дизель подается газовая смесь (азот, окись азота и кислород), охлажденная в охладителе, очищенная от двуокиси углерода в реакторе и обогащенная окислителем (кислородом) в смесителе. Отработавшие газы дизеля, обладая высоким термодинамическим потенциалом, поступают в нагреватель холодильной машины Вюлемье-Такониса. Выхлопные газы дизеля циркулируют в замкнутом цикле. Сконденсировавшаяся вода, выведенная из цикла, насосом подается в реактор, в котором взаимодействует с гидридом металла с образованием водородного горючего, которое компрессором впрыскивается в камеру сгорания дизеля. Дополнительная электрическая энергия получается за счет остаточной теплоты реактора в электрогенераторе с двигателем "Флюидайн". Использование изобретения позволит повысить КПД дизеля и снизить, эксплуатационные затраты при хранении окислителя. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например для специальных фортификационных сооружений и подводных лодок.

Известен способ организации рабочего процесса дизеля на водородном топливе, для повышения КПД дизеля и уменьшения концентрации вредных компонентов выхлопа, при котором водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встроенным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включается на режимах пуска и прогрева дизеля, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 1170 - 1270 К за счет выделяющегося при сгорании топлива тепла (Мищенко А.И. Перспективы применения водорода и метанола в качестве моторных топлив. // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10.).

Известен процесс беспламенного каталитического окисления продуктов неполного сгорания (CO, CH) и конструкция каталитических нейтрализаторов окисления на основе Pt, Pd, Cu, Cr и др. (Новиков Л.А., Юрченко Э.Н., Шляхтов В. А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций. // Двигателестроение, 1995, N 182, с. 72-77).

Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. В качестве рабочего тела используются вещества неразрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т.д. Однако для эффективного осуществления рабочего цикла машины необходимо, чтобы тепло, подводимое к машине, было бы достаточно высокого термодинамического потенциала. (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, с. 305).

Известен способ обеспечения работы дизеля по замкнутому циклу в среде азота, при котором выпускные газы двигателя охлаждаются в охладителе, при этом водяной пар, содержащийся в газах, конденсируется и удаляется из цикла, а температура газа понижается до уровня, необходимого для поглощения углекислоты раствором едкого калия в скруббере: CO₂ + 2KOH = H₂O + K₂CO₃; K₂CO₃ + H₂O + CO₂ = 2K(HCO₃) (А. Н. Батырев, В.Д.Кошеверов, О.Ю.Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб.: Судостроение, 1994, с. 196-197).

Известно взаимодействие гидридов щелочных и щелочноземельных металлов с водой с выделением газообразного водорода, например LiH + H₂O = LiOH + H₂ (Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 22).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющих собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем ППЦ служит для получения электрической энергии, а ПОЦ - для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОЦ 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 (ТАВ), в качестве которого выступает вода, при температуре около +4^oC, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды аккумулировавшей тепло преобразователей. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение ППЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление ТАВ, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы ТАВ составляют значительный процент от объема объекта в целом, что приводит к большой стоимости строительства объектов данного типа (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992.- 240 с.).

Известно устройство электрогенератора с двигателем с внешним подводом теплоты, выполненного в виде двигателя "Флюидайн" (Патент РФ N 2133360. Бюл. N 20 от 20.07.99, F 02 G 1/00).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на "синтез-газе", машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, разомкнутый контур с криогенным окислителем (Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г.). Однако длительное хранение криогенного окислителя требует значительных затрат на переконденсацию выпара окислителя или приводит к его потере, а работа дизеля на "синтез-газе" приводит к снижению КПД.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в сокращении объемов хранилищ TAB, жидкого углеводородного топлива, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя, получении дополнительной полезной энергии.

Для достижения данного технического результата, анаэробная энергохолодильная установка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающих снабжение дизеля горючим и окислителем, а также контуром двигателя с внешним подводом теплоты, связанным с реактором генерации водорода.

Введение в состав анаэробной энергохолодильной установки контуров кислорода, азота, водорода и технической воды, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности длительного хранения газообразного окислителя (кислорода) без потерь и исключении устройств для переконденсации выпара жидкого кислорода, повышение КПД дезеля за счет использования водородосодержащего горючего, а также получение дополнительной полезной энергии.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка замкнутого цикла.

Энергоустановка в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания 2, машины Вюлемье-Такониса 3, через нагреватель 4 которой проходят отработавшие газы, охладителя 5, скруббера (реактора) для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 6, компрессора 7, смесителя 8, а также разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость для его хранения 9 и запорно-регулирующий вентиль 10, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 11 и запорно-регулирующий вентиль 12, контур технической воды, включающий в себя емкости для хранения технической воды и сбора конденсата 13, насос подачи технической воды 14 и запорно-регулирующий вентиль 15, контур газообразного водорода, содержащий реактор генерации водорода 16, запорно-регулирующий вентиль 17 и компрессор 18, контур теплового двигателя с внешним подводом теплоты, состоящего из электрогенератора с двигателем "Флюдиайн" 19 и контура промежуточного теплоносителя 20, проходящего через реактор генерации водорода 16.

Анаэробная энергохолодильная установка работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем запасается необходимое (расчетное) количество газообразных продуктов - азота, кислорода, соответственно в емкостях 9, 11, а также технической воды в емкости 13 и гидрида металла (например лития, LiH).

Перед переключением дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой из емкости 13 насосом 14 через запорно-регулирующий вентиль 15 в реактор 16 подается расчетное количество технической воды. Одновременно в реактор 16 подается гидрид металла, например лития, и в нем генерируется топливо - водород.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя - азота из емкости 9 и окислителя - кислорода из емкости 11 через смеситель 8. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный водород из реактора 16 через запорно-регулирующий вентиль 17 и компрессор 18 под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (на чертеже не показаны) дизеля 1.

Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота и его окислов, не прореагировавшего кислорода, паров воды, а также некоторого количества CO и CH, обусловленного выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, поступают через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит доокисление продуктов неполного сгорания в CO₃ и H₂O_(пар), в нагреватель 4 машины Вюлемье-Такониса 3, в которой отрабатывают свой термодинамический потенциал, далее в охладитель 5, в котором водяной пар охлаждается, конденсируется и выводится из цикла в емкость 13, и затем через реактор 6 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 7 и смеситель 8, в котором газовая смесь обогащается кислородом до необходимой концентрации, подается на впуск дизеля.

Выведенный из цикла в емкость 13 конденсат водяного пара насосом 14 через запорно-регулирующий вентиль 15 подается в реактор 16, в котором взаимодействует с гидридом металла (например, LiH) с образованием водородного топлива. Водород через вентиль 17 компрессором 18 непосредственно впрыскивается в камеру сгорания дизеля в конце такта сжатия.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 9, путем закрытия вентиля 10, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N₂ + NO + О₂).

Для охлаждения реактора 16 и получения дополнительной полезной энергии (в виде механической или электрической) в состав анаэробной энергохолодильиой установки введен контур двигателя с внешним подводом теплоты, выполненного в виде электрогенератора с двигателем "Флюидайн" 19. Теплота реакции из реактора 16 к двигателю "Флюидайн" 19 передается с помощью контура промежуточного теплоносителя 20.

Источники информации 1. Мищенко А. И. Перспективы применения водорода и метанола в качестве моторных топлив // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10.

2. Новиков Л.А., Юрченко Э.Н., Шляхтов В.А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций // Двигателестроение, 1995, N 182, с. 72-77.

3. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, с. 305.

4. А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб.: Судостроение, 1994, с. 196-197).

5. Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 22).

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

7. Патент РФ 2133360. Бюл. N 20 от 20.07.99, F 02 G 1/00.

8. Патент РФ N 208864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г. - прототип.

Формула изобретения

Анаэробная энергохолодильная установка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, отличающаяся тем, что снабжена контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота, контуром газообразного водорода с реактором генерации водорода, контуром технической воды, обеспечивающими снабжение дизеля горючим и окислителем, а также контуром двигателя с внешним подводом теплоты, связанным с реактором генерации водорода.

РИСУНКИ

Рисунок 1