RU2165029C1 - Анаэробная комбинированная энергоустановка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве комбинированной энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Достигаемый технический результат - сокращение объемов хранилищ теплоаккумулирующих веществ, повышение КПД дизеля, снижение затрат на хранение окислителя и получение дополнительной электрической энергии. Отработавшие газы дизеля 1 в результате экзотермического взаимодействия с щелочноземельным металлом превращаются в смесь инертного наполнителя (азота) и топлива (водорода). Данная смесь, обладая высоким термодинамическим потенциалом, поступает в нагреватель 6 машины Вюлемье-Такониса 12, тем самым обеспечивая совершение термодинамического цикла с получением полезной холодопроизводительности. Газовая смесь (азот и водород) после охлаждения в охладителе 7 подается на впуск дизеля. Энергоустановка снабжена двигателем Стирлинга 22, работа которого осуществляется за счет теплоты, аккумулированной в накопителе твердой фазы 3, при этом накопитель 3 связан с нагревателем 23 двигателя Стирлинга 22 через тепловую трубу 24. На одном валу с двигателем Стирлинга 22 расположен электрогенератор 25. 1 ил.

Description

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.

Известно устройство двигателя Стирлинга, состоящего из нагревателя, регенератора, холодильника и поршневой группы (Батырев А.Н., Кошеваров В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994, с. 205).

Известно устройство тепловой трубы, предназначенной для передачи тепловой энергии (Ядерные энергетические установки. Под ред. акад. Н.А. Доллежаля. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 244).

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, не разрушающие 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 получения искусственной газовой смеси и повышения термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки, работающей по замкнутому циклу, для объектов без связи с атмосферой. Суть этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси углерода (CO₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигателе, например газовой турбине. Недостатком этих энергоустановок является то, что при отсутствии связи с атмосферой, для их функционирования необходимы значительные объемы материальных сред внутри объекта (Описание изобретения к патенту РФ N 2013588).

Известно окисление щелочноземельного металла магния в кислороде, в сухом и влажном воздухе, в углекислом газе. Известен способ получения водорода в результате взаимодействия щелочноземельного металла магния с водяным паром по реакции Mg + H₂O = MgO + H₂ при температуре T = 425-575^oC (Окисление металлов / Под. ред. Ж. Бенара. Перевод с французского. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314-327).

Известны химические свойства нитрида магния и реакции его взаимодействия с водяным паром, двуокисью и окисью углерода при высоких температурах (Самсонов Г. В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: Наукова думка, 1978, с. 213-214).

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 K за счет выделяющейся при сгорании топлива теплоты (Мищенко А.И. // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ) и предназначенные 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 теплоту (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой эта низкопотенциальная теплота должна 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 холодной воды и воды, аккумулировавшей теплоту от 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.).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на синтез-газе, с химическим реактором и накопителем твердой фазы окисла щелочноземельного металла, машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты 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 потери, 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, повышении КПД дизеля, снижении затрат на хранение окислителя и получении дополнительной электрической энергии.

Для достижения данного технического результата анаэробная комбинированная энергоустановка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с химическим реактором, накопителем твердой фазы окислов щелочноземельных металлов и машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавших газов дизеля, снабжена двигателем Стирлинга, работа которого осуществляется за счет теплоты, аккумулированной в накопителе твердой фазы, при этом накопитель через тепловую трубу связан с нагревателем двигателя Стирлинга, который соединен с электрогенератором одним валом, контуром газообразного окислителя-кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, причем в дизельной энергоустановке замкнутого цикла генерируется водородосодержащее горючее.

Введение в состав анаэробной комбинированной энергоустановки двигателя Стирлинга, связанного с накопителем твердой фазы окисла щелочноземельного металла через тепловую трубу, газообразных контуров кислорода, азота и водорода, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности длительного хранения газообразного окислителя (кислорода) без потерь, исключении устройств для переконденсации выпара жидкого кислорода, а также повышение КПД дизеля за счет использования водородосодержащего горючего и получение дополнительной электрической энергии.

На чертеже изображена анаэробная комбинированная энергоустановка.

Комбинированная энергоустановка в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, реактора 2 с накопителем твердой фазы 3, бункера со щелочноземельным металлом 4, сепаратора 5, охладителя 7, смесителя 8, а также емкости хранения технической воды и сбора конденсата 9, насоса подачи технической воды 10 и запорно-регулирующего вентиля 11, машину Вюлемье-Такониса 12, соединенную с контуром дизельной энергоустановки замкнутого цикла через нагреватель 6, разомкнутый контур газообразного азота, который включает емкость для его хранения 13 и запорно-регулирующий вентиль 14, разомкнутый контур газообразного водорода, который включает емкость для его хранения 15 и запорно-регулирующий вентиль 16, разомкнутый контур газообразного кислорода, который включает емкость для его хранения 17, запорно-регулирующие вентили 18 и 20, редукторы (регуляторы давления) 19 и 21, двигатель Стирлинга 22, соединенный через нагреватель 23 и тепловую трубу 24 с накопителем твердой фазы 3. На одном валу с двигателем Стирлинга 22 расположен электрогенератор 25.

Анаэробная комбинированная энергоустановка работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем запасается необходимое (расчетное) количество газообразных продуктов - азота, водорода, кислорода, соответственно в емкостях 13, 15, 17.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя (азота из емкости 13) и топлива (водорода из емкости 15) через смеситель 8. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный кислород из емкости 17 через запорно-регулирующий вентиль 18 и регулятор давления 19, под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (на чертеже не показана) дизеля 1. Процесс сгорания происходит постепенно, по мере поступления кислорода в камеру сгорания, и заканчивается в момент выгорания водорода.

Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота и его окислов, непрореагировавшего кислорода, паров воды, а также некоторого количества CO и CH, обусловленного выгоранием углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, поступают в реактор 2, куда из бункера 4 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний.

Для окисления продуктов неполного сгорания углеводородных смазок и для поддержания устойчивого режима протекания реакций в реактор подается некоторое количество кислорода из емкости 17 через запорно-регулирующий вентиль 20 и регулятор давления 21.

В реакторе 12 протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO + C и газовая N₂ + H₂ + H₂O_пар фазы, сопровождающиеся выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1500 K) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе 5. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал, передавая теплоту рабочему телу машины Вюлемье-Такониса 12 через нагреватель 6. После охлаждения и конденсации паров воды в охладителе 7 газовая фаза, состоящая из смеси азота N₂ и водорода H₂, направляется на впуск двигателя. Охлаждение газовой фазы в охладителе 7 необходимо для обеспечения расчетного наполнения цилиндров дизеля рабочим телом.

Вода из емкости 9 насосом 10 через вентиль 11 впрыскивается в цилиндры дизеля 1 непосредственно перед подачей смеси N₂ + H₂, с целью снижения температуры стенок цилиндра, осуществления продувки цилиндров образующимся водяным паром и с целью снижения концентрации NO_x в отработавших газах дизеля.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 13, водорода из емкости 15 путем закрытия вентилей 14 и 16 соответственно, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на постоянной по составу рабочей смеси азота и водорода (N₂ + H₂).

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

2. Описание изобретения к патенту РФ N 2013588.

3. Окисление металлов / Под ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314-327.

4. Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С., Получение и методы анализа нитридов. - Киев: Наукова думка, 1978, с. 213-214.

5. Мищенко А.И. // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8-10.

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

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

Claims (1)

1. Анаэробная комбинированная энергоустановка, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла с химическим реактором, накопителем твердой фазы окислов щелочноземельных металлов и машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавших газов дизеля, отличающаяся тем, что снабжена двигателем Стирлинга, работа которого осуществляется за счет теплоты, аккумулированной в накопителе твердой фазы, при этом накопитель через тепловую трубу связан с нагревателем двигателя Стирлинга, который имеет на одном валу электрогенератор, контуром газообразного окислителя - кислорода, контуром газообразного азота и контуром газообразного водорода, причем в дизельной энергоустановке замкнутого цикла генерируется водородсодержащее горючее.