система питания газообразным топливом силовой установки и устройство для хранения и подачи твердого топлива этой системы

Формула изобретения

1. Система питания газообразным топливом силовой установки, содержащая емкость, заполненную твердым углеводородным топливом, соединенную через дозатор с пиролитическим реактором, связанным на выходе с потребителем газообразного топлива, отличающаяся тем, что емкость выполнена в виде кассеты, а твердое углеводородное топливо - в виде ленты.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что лента выполнена из полиэтилена.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что лента выполнена из полипропилена.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что лента выполнена из отвержденной смеси полиэтилена и неполимерных углеводородов.

5. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что пиролитический реактор выполнен в виде теплоизолированного кожухотрубного аппарата с по меньшей мере одной трубой, представляющей собой реакционную зону, соединенной на входе с испарительной камерой перехода в газожидкостную фазу и связанной на выходе с закалочной камерой, которая соединена с нагнетательной линией, ведущей к потребителю газообразного углеводородного топлива, при этом межтрубное пространство подключено к линии отработавших газов силовой установки.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что реакционная зона заполнена гетерогенным катализатором.

7. Система по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что на кожухе пиролитического реактора размещены горелки, соединенные с выходом закалочной камеры.

8. Система по пп. 5 и 6, отличающаяся тем, что испарительная камера снабжена электронагревателями, электрически связанными с аккумуляторной батареей.

9. Система по пп.6 - 8, отличающаяся тем, что испарительная камера имеет прорезь для подачи ленты, снабженную уплотнением, выполненным в виде жидкостного затвора, и соединенную с жидкостной зоной упомянутой камеры.

10. Устройство для хранения и подачи твердого топлива, содержащее емкость, заполненную углеводородным топливом и снабженную дозатором, отличающееся тем, что емкость выполнена в виде кассеты и катушки, установленной с возможностью вращения относительно кассеты, а твердое углеводородное топливо - в виде ленты, намотанной на катушку.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что корпус кассеты выполнен в виде цилиндра, часть боковой поверхности которого имеет прямоугольные стенки, сопряженные с поверхностью цилиндра и стыкуемые одна с другой.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что корпус кассеты имеет форму параллелепипеда.

13. Устройство по пп.10 и 11, отличающееся тем, что дозатор размещен в корпусе кассеты в зоне стыка ее прямоугольных стенок и выполнен в виде ведущего и ведомого валиков, при этом лента выполнена перфорированной с заданным шагом перфорации, ведущий валик имеет выступы, а ведомый - впадины, образующие с выступами зубчатое соединение, имеющее шаг, равный шагу перфорации ленты.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что ведущий валик установлен с возможностью торцевого сопряжения с плавающим штырем, установленным с возможностью вращения с заданной частотой.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что валики дозатора выполнены охлаждаемыми.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к системе питания газообразным топливом (полученным из исходного твердого топлива) различных силовых установок с внутрикамерным смесеобразованием, например таких как газовая турбина; двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впуском газового топлива в цилиндр (с принужденным зажиганием); двигатели с внешним подводом теплоты (например, работающие по циклу Стирлинга) со смесеобразованием посредством топливо-воздушных форсунок в нагревательной камере и другие. В частном случае, группа изобретений относится к устройствам для хранения твердого углеводородного топлива, применяемого в таких системах. Наиболее эффективно группа изобретений может быть применена для силовых установок, размещенных на транспортных средствах, таких как автомобили, легкие самолеты, катера и т.п.

Известны системы питания газообразным топливом силовой установки, содержащие емкость, заполненную углеводородным топливом. В данной системе емкость, заполненная углеводородным топливом, объединена в одном корпусе с реактором, который имеет линию соединения образующегося в реакторе газообразного топлива с потребителем - двигателем внутреннего сгорания (см. патент РФ N 2059845 по кл. F 02 B 43/10 за 1994). Данное газообразное топливо является дополнительным к жидкому топливу, хранящемуся в отдельном баке.

В данной системе технический результат изобретения (упрощение системы топливопитания) не достигается, так как предложенная система крайне громоздка и сложна, вследствие чего ее размещение на транспортном средстве весьма неэффективно.

Известны системы питания газообразным топливом силовой установки, содержащие емкость, заполненную твердым углеводородным топливом, соединенную через шнековый дозатор с пиролитическим реактором, связанным на выходе с потребителем - газовой турбиной (см. европейский патент N 0591703 по кл. F 02 C 3/28 за 1993 г.).

В данной системе твердое углеводородное топливо представляет собой полимерные отходы типа размельченной пластмассовой тары, выброшенных полиэтиленовых пакетов и бутылок и т.п., что предполагает наличие в их химическом составе нежелательных примесей (например, в изделиях из полиэтилена низкого давления - тяжелых металлов). Все это предполагает использование специальных фильтрационных элементов очистки газообразного топлива на входе в силовую установку (газовую турбину). При этом, геометрия бросовых полимерных отходов исключает выполнение компактной емкости для них (бункера) и делает невозможным стандартизацию системы хранения полимерного топлива, что ощутимо препятствует внедрению такой системы питания твердым углеводородным топливом на транспортных средствах.

Вследствие этого, технический результат, предусмотренный изобретением, в данной системе не достигается.

Задача изобретения состоит в создании простой и надежной системы питания газообразным топливом (полученным из твердого) силовых установок транспортных средств.

Технический результат, достигаемый изобретением - упрощение системы питания при модульной стандартизации оборудования заправки и хранения углеводородного топлива, с одновременным компактным размещением топливных емкостей на борту транспортного средства.

Дополнительный технический результат - обеспечение запуска силовой установки.

Данный технический результат достигается тем, что в системе питания газовым топливом силовой установки, содержащей емкость, заполненную твердым углеводородным топливом, соединенную через дозатор с реактором, связанным на выходе с потребителем газообразного топлива, емкость выполнена в виде кассеты, а твердое углеводородное топливо выполнено в виде ленты.

Данный технический результат, в большей степени, достигается тем, что лента выполнена либо из полиэтилена, либо из полипропилена, либо из отвержденной смеси полиэтилена и неполимерных углеводородов, пиролитический реактор выполнен в виде теплоизолированного кожухотрубного аппарата с по меньшей мере одной трубой, представляющей собой реакционную зону, соединенную на входе с камерой перехода твердого топлива в газожидкостную фазу и связанную на выходе с закалочной камерой, которая, в свою очередь, соединена с нагнетательной линией, ведущей к потребителю газообразного углеводородного топлива, при этом межтрубное пространство подключено к линии отработавших газов силовой установки; реакционная зона заполнена гетерогенным катализатором; на кожухе пиролитического реактора размещены газовые горелки, соединенные с выходом закалочной камеры.

Дополнительный технический результат достигается тем, что камера перехода твердого топлива в газожидкостную фазу снабжена прорезью для подачи ленты с уплотнительным устройством в виде жидкостного затвора, при этом прорезь расположена ниже уровня жидкой фазы.

Известны устройства для хранения и подачи твердого топлива, содержащие бункер, заполненный энергетическим сырьем и снабженный дозатором, встроенным в бункер (см. а.с. N 1751373, кл. F 02 B 43/08, 1992).

Характер топлива в данном устройстве не раскрыт, можно лишь предположить, что оно содержит углеводородные составляющие. В этом устройстве технический результат изобретения не может быть реализован, так как эксплуатационная надежность использования неизвестного твердого топлива сомнительна, а модульная стандартизация бункерной системы хранения и собственно твердого топлива невозможна.

Известны устройства для хранения и подачи твердого углеводородного топлива, содержащие топливную емкость в виде бункера, снабженную шнековым дозатором (см. европейский патент N 0591703, кл. F 02 C 3/28, 1993).

В данном устройстве технический результат, получаемый в изобретении, достигнут быть не может, т.к. модульная стандартизация бункера в сочетании с кусковым полимерным топливом не представляется технически осуществимой для транспортного средства.

Задача, поставленная изобретением, - создание простого и надежного кассетного устройства хранения и подачи твердого углеводородного топлива и обеспечение его компактного размещения на борту транспортного средства.

Технический результат, достигаемый изобретением - упрощение, повышение эксплуатационной надежности и модульная стандартизация при хранении твердого топлива на борту транспортного средства.

Дополнительный технический результат, достигаемый изобретением - предотвращение размещения ленты.

Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для хранения и подачи твердого топлива, содержащем емкость, заполненную углеродным топливом и снабженную дозатором, емкость выполнена в виде кассеты и катушки, установленной с возможностью вращения относительно кассеты, а углеводородное топливо выполнено в виде ленты, намотанной на катушку.

В частных случаях данный технический результат достигается тем, что корпус кассеты выполнен в виде цилиндра, часть боковой поверхности которого имеет прямоугольные стенки, сопряженные с поверхностью цилиндра и стыкуемые одна с другой; корпус кассеты имеет форму параллелепипеда; дозатор размещен в корпусе кассеты в зоне стыка ее прямоугольных стенок и выполнен в виде ведущего и ведомого валиков, при этом лента выполнена перфорированной с заданным шагом перфорации, ведущий валик имеет выступы, а ведомый - сопрягаемые с последними впадины, причем зубчатое соединение выполнено с шагом, равным шагу перфорации; ведущий валик установлен с возможностью торцевого сопряжения с плавающим штырем, установленным, в свою очередь, с возможностью вращения с заданной частотой.

Дополнительный технический результат достигается тем, что валики дозатора выполнены охлаждаемыми.

На фиг. 1 схематически показана описываемая система питания газообразным топливом силовой установки, в частном случае - газовой турбины.

На фиг. 2 схематически показано описываемое устройство для хранения и подачи топлива, вид в плане, в варианте, когда 3/4 корпуса выполнены цилиндрическими, а одна четверть - в виде углового участка параллелепипеда.

На фиг. 3 - сечение по А-А фиг. 2.

На фиг. 4 - сечение Б-Б фиг. 2 по валикам дозатора.

На фиг. 5 схематически показана полимерная перфорированная лента и валики дозатора в аксонометрической проекции.

Система питания силовой установки газообразным топливом, получаемым в процессе пиролиза твердого углеводородного (полимерного) топлива, содержит кассету 1 с полимерной лентой 2 внутри, преимущественно полиэтиленовой. Лента также может быть выполнена из полипропилена и других известных полимерных материалов, транспортирующихся в процессе пиролиза в низкомолекулярные газообразные углеводороды (этилен, пропилен, метан, пропан и ряд подобных). Кассета 1 через дозатор 3 соединена лентой 2 с пиролитическим реактором 4. Реактор 4 выполнен в виде теплоизолированного посредством футеровки 5 кожухотрубного аппарата с по меньшей мере одной трубой 6 представляющей собой реакционную зону, соединенную на входе с испарительной камерой 7 перехода твердого полимерного топлива 2 в виде ленты в парожидкостную фазу. На выходе труба 6 (количество труб 6 определяется необходимой газопропускной способностью реактора 4) соединена с закалочной камерой 8, которая связана через фильтр 9 с нагнетательной линией 10, ведущей к потребителю (например, к жаровой камере 11 газовой турбины 12). Межтрубное пространство 13 реактора 4 подключено к линии 14 отработавших газов турбины 12 (или к подобной линии силовой установки другого типа).

Труба 6 (реакторная зона) может быть заполнена гетерогенным катализатором (при организации каталитического пиролиза), например морденитом, модифицированным никелем (20%) на аморфном алюмосиликате 15.

Испарительная камера 7 снабжена электронагревателем 16 (например, ТЭНом), электрически связанным с аккумуляторной батареей 17. При этом на кожухе 18 реактора 4 установлены газовые горелки 19, соединенные газовой магистралью 20 с выходом закалочной камеры 8. В футеровке 5, теплоизолирующей испарительную камеру 7, выполнена прорезь 21 для ленты 2, снабженная уплотнением в виде жидкостного затвора 22, причем вязкой уплотняющей жидкостью служит собственно полимерный расплав 23. Закалочная камера 8 представляет собой двухполостной агрегат, по одной полости которого (например, в виде трубок 24) проходят продукты пиролиза из труб 6, а по другой (межтрубное пространство 25) циркулирует охлаждающая вода, поступающая по линии 26 в радиатор 27. На нагнетательной линии 10 предусмотрен газотопливный компрессор 28, дроссель топливоподачи 29 и ресивер 30 ограниченного объема для непродолжительного накопления газового топлива (пирогаза).

В качестве радиатора 27 может быть использован радиатор собственно силовой установки. (При использовании в качестве силовой установки ДВС с принудительным зажиганием и непосредственным впуском газового топлива в цилиндры или, например при подключении к описываемой системе газотопливного питания двигателя Стирлинга).

Твердое топливо (полимерная лента 2) с помощью дозатора 3 через прорезь 21 поступает в испарительную камеру 7 реактора 4, причем прорезь 21 уплотнена жидкостным затвором 22 в виде вязкого полимерного расплава 23, обволакивающего ленту 2 на внутреннем стыке прорези 21. После испарения (частичного распада молекул полимера 2) образовавшийся углеводородный парогаз поступает в реакционную зону 15 труб 6, температура которых по длине поддерживается относительно постоянной. В случае термического пиролиза она должна быть не ниже 800^oC. При каталитическом пиролизе, благодаря наличию в реакционной зоне 15 мелкодисперсного гетерогенного катализатора процесс будет протекать в более мягком режиме (Т 650^oC). Время процесса от 0,05 до 0,3 с в зависимости от геометрии реакционной зоны 15. (При каталитическом пиролизе весьма желательна добавка в зону 15 водяного пара - разбавителя в соотношении к пирогазу 1/1 в целях подавления процесса закоксовывания реакционной зоны 15. При этом, ресурс катализатора до необходимой процедуры удаления кокса составит от 1,5 до 3 тысяч часов). В реакционной зоне 15 при указанных температурно-временных режимах происходит собственно процесс пиролиза, т.е. окончательный распад обрывков молекул углеводородного полимера и образование газообразных продуктов (этилена, пропилена, метана и др.). Затем пирогаз покидает реакционную зону 15 труб 6 и поступает в закалочную камеру 8, где в трубчатом теплообменнике 24, охлаждаемом водой, поступающей из радиатора 27 по линии 26 в пространство 25, в течение временного интервала, не превышающего 0,03 с его температура падает до 350^oC, что делает процесс образования низкомолекулярных газообразных углеводородов необратимым. На процесс пиролиза затрачивается количество теплоты, не превышающее 10-12% от калорийности углеводородного топлива. Однако отработавшие газы различных силовых установок, в частности газовой турбины 12, поступающие по линии 14 в межтрубное пространство 13 реактора 4, имеют недостаточно высокую температуру, поэтому чтобы обеспечить устойчивое протекание процесса пиролиза, необходимо осуществлять независимый дополнительный подогрев труб 6 за счет сжигания части пирогаза, поступающего по газовой магистрали 20 к газовым горелкам 19, размещенным на кожухе 18 реактора 4. Очевидно, что при этом на 5-7% возрастает расход топлива силового устройства (газовой турбины 12). (В конечном счете эти топливные потери связаны с эффективностью газовых горелок 19 и теплоизоляции 5 реактора 4). Охлажденный пирогаз поступает по нагнетательной магистрали 10 через фильтр 9, улавливающий частицы тяжелых металлов, в компрессор 28 (приводимый от силового устройства), откуда через газотопливный регулятор 29 мощности силового устройства под избыточным давлением поступает в жаровую камеру 11 газовой турбины 12. В целях обеспечения необходимого скачкообразного увеличения мощности (например, при обгонах, предпринимаемых транспортным средством) в камеру сгорания силовой установки поступает дополнительная порция газового топлива из ресивера 30. Запуск силовой установки осуществляется за счет предварительного прогрева испарительной камеры 7, до температуры, обеспечивающей начальное образование продуктов парогазового распада жидкой фазы 23. Пусковой прогрев обеспечивают ТЭНы 16, электропитание которых осуществляется от аккумуляторной батареи 17. Продукты парогазового распада поступают через трубы 16 и магистраль 20 к газовым горелкам 19, которые, таким образом, осуществляют пусковой прогрев пиролитического реактора 4 и последующий запуск силовой установки. Возможно, также, использование с этой целью пусковой порции газа из ресивера 30.

Устройство для хранения и подачи твердого углеводородного топлива содержит кассету 1 с полой осью 31 и катушку 32, установленную с возможностью вращения относительно кассеты 1. В кассете 1 размещена лента 2, выполненная из полимерного материала (предпочтительно из полиэтилена), и намотанная на катушку 32. Корпус 33 кассеты 1 имеет форму незамкнутого цилиндра, при этом цилиндрическая часть 34 сопрягается с двумя сходящимися прямоугольными угловыми стенками 35 и 36. Возможен также вариант, когда корпус кассеты 1 выполнен в виде параллелепипеда 37. Дозатор 3 размещен в корпусе кассеты 1 в зоне стыка угловых стенок 35 и 36 и представляет собой ведущий 38 и ведомый 39 валики, кинематически связанные между собой зубчатой передачей. В частном случае, последняя совмещена с лентопротяжными элементами и выполнена в виде выступов 40 на ведущем 38 и впадин 41 на ведомом 39 валике, причем шаг упомянутого зубчатого зацепления 40, 41 совпадает с шагом перфорации 42 полимерной ленты 2. Ведущий валик 38 размещен относительно полой оси 31 кассеты 1 на пересечении координат, длины которых являются стандартными, а отверстие 43 в оси 31 кассеты 1 соответственно служит установочным базовым. Кассета 1 имеет две боковые крышки 44 и 45, которые крепятся к корпусу 34, 35, 36 любыми крепежными устройствами. Ведущий валик 38 снабжен торцевыми захватами 46, которые могут иметь разнообразную форму, сопрягаемую с торцевыми захватами 47 плавающей оси 48, смонтированной в гнезде 49 корпуса транспортного средства 50 с возможностью вращения. При этом приводом ведущей оси 48 может быть, например, шаговый электродвигатель, электрически связанный с системой дозирования поступления полимерной ленты 2 (твердого углеводородного топлива). Кроме этого, в целях предотвращения размягчения полимерной ленты в зоне дозатора валики 38 и 39 могут быть оснащены системой охлаждения, в частности внутрипроточной. Валики при этом будут выполнены полыми.

Кассета 1 монтируется под капотом транспортного средства 50 (например, автомобиля). При этом ее базовое отверстие 43 сопрягается базовым штырем 51, жестко смонтированным в корпусе транспортного средства 50, а ведущий валик 38 дозатора 3 кассеты 1 стыкуется торцевыми захватами 46 с торцевыми захватами 47 плавающей оси 48, которая обеспечивает необходимый для сцепления поджим. Фиксация кассеты 1 на штыре 51 может быть осуществлена любыми известными быстроразъемными крепежными средствами. Для запуска двигателя управляемая ось 48 осуществляет начальный проворот валиков 38 и 39 дозатора 3, вследствие чего полимерная лента 2 выдвигается из кассеты 1 и проходит через прорезь 21 в футеровке 5 реактора 4 и попадает в испарительную камеру 7, при этом остаток полимерного материала в камере 7 должен быть предварительно расплавлен ТЭНами 16.