способ получения искусственной газовой смеси силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, работающим по замкнутому циклу

Формула изобретения

Способ получения искусственной газовой смеси для силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, работающей по замкнутому циклу, заключается в том, что отходящие газы из двигателя вводят в непосредственный контакт с поглотителем, при этом происходит освобождение O₂ и поглощение CO₂ из отходящих газов, затем полученную газовую смесь охлаждают до 60 - 80^oC, отличающийся тем, что охлажденный поток отходящих газов разделяют на две регулируемые части, одну из которых после предварительного регулируемого орошения водой направляют в турбулентном потоке параллельно поверхности поглотителя, очищают от твердых частиц, а также капельной влаги, подают далее на смешение со второй частью потока отходящих газов, после чего подают в двигатель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано при организации работы дизелей на искусственной газовой смеси (ИГС).

Известен способ получения ИГС, описанный в [1]. По данному способу отработавшие газы подают через слой гранулированного кислородосодержащего продукта. При этом в одном аппарате происходят реакции поглощения CO₂ из состава ОГ, а также выделение кислорода.

Основными недостатками данного технического решения являются малая надежность и экономичность, обусловленные оплавлением гранул в результате реакции с парами воды и вследствие этого ростом аэродинамических сопротивлений, а также снижением проходных сечений для потока газов. При этом, поскольку твердые продукты реакции с поверхности гранул практически не отводятся, достаточно затруднено проникновение зоны реакции внутрь гранул.

Целью предполагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности приготовления ИГС.

Поставленная цель достигается тем, что поток отработавших газов (ОГ) двигателя на две регулируемые части, одну из которых после предварительного регулируемого орошения водой направляют в турбулентном потоке параллельно поверхности прессованного (таблетированного) поглотителя, очищают от твердых частиц, а также капельной влаги и подают далее на смешение со второй частью потока ОГ.

На рисунке представлено устройство, реализующее заявленный способ приготовления ИГС. Устройство включает в себя собственно двигатель 1, являющийся источником ОГ и потребителем ИГС, смесители газовых потоков 2 и 4, нейтрализатор ОГ со встроенным сепаратором твердых частиц и капельной влаги 3, охладитель-конденсатор влаги 5, регулятор подачи воды на орошение 6, регулятор перепуска ОГ помимо нейтрализатора 7.

Устройство работает следующим образом. Высокотемпературные ОГ посредством регулятора перепуска 7 разделяются на две части. Первая часть потока после предварительного орошения водой с помощью регулятора 6 в смесителе 2 проходит через нейтрализатор 3 и далее смешивается снова со второй частью потока ОГ. Образованная таким образом ИГС охлаждается до температуры 60^oC80^oC с одновременным удалением капельной влаги в охладителе-сепараторе 5, после чего подается на впуск ДВС.

Согласно заявленному способу нейтрализатор 3 выполнен таким образом, что турбулентный поток увлажненных отработавших газов проходит вдоль поверхности прессованного (таблетированного поглотителя. В качестве поглотителя такого рода в дизельных энергоустановках наибольшее распространение получили надперекиси щелочных металлов и, в частности, надперикись натрия. Реакция взаимодействия надперекиси натрия увлажненными ОГ может быть описана следующим соотношениями:



CO₂+ 2NaOH Na₂CO₃+ H₂O (2)

Таким образом, при взаимодействии ОГ с поглотителем одновременно выделяется O₂ и поглощается CO₂. Как было показано ранее, подача ОГ через слой поглотителя /5/ неэффективна, так как сопровождается оплавлением гранул и резким ростом аэродинамических сопротивления. Пропускание ОГ через всевдоожиженный (взвешенный) слой поглотителя /4,6/ также, как показывает практика, неэффективно ввиду спекания частиц при высокой температуре, трудностей проникновения зоны реакции внутрь частиц, а также подачи и удаления гранул из реакционной зоны. По сравнению с рассмотренными предлагаемый способ взаимодействия ОГ с поглотителем более эффективен в силу следующего ряда обстоятельств.

1. Поток ОГ направляется вдоль поверхности поглотителя, что исключает рост аэродинамических сопротивлений.

2. Турбулизация потоков ОГ и развитая поверхность массообмена в сочетании с достаточным количеством воды в ОГ позволяет интенсивно проводить процесс обработки ОГ. При этом весьма важно, что интенсивность проведения реакции 1 и 2 может регулироваться путем изменения количества паров воды в ОГ посредством регулятора 6. Таким образом, компенсируются изменения в режимах работы ДВС (внешнее возмущение), вызванные изменением нагрузки и частоты вращения, а также нейтрализатора 3 (внутреннее возмущение), вызванное расходованием поглотителя.

3. При испарении воды в смесителе 2 происходит одновременное охлаждение ОГ, таким образом температурный режим работы нейтрализатора по сравнению с прототипом более стабильный и благоприятный, исключающий спекание частиц и неконтролируемое термическое разложение поглотителя.

4. Отмеченное ранее оплавление поглотителя в присутствии паров воды в отличие от аналогов в заявляемом техническом решении играет положительную роль, поскольку позволяет, во-первых, с высокой эффективностью обеспечить взаимодействия ОГ с поглотителем, а во-вторых, вывести побочные продукты (карбонаты) из зоны реакции.

В нейтрализаторе 3 используется прессованный (таблетированный) поглотитель, поэтому взаимодействия ОГ с ним происходит вдоль поверхности. В принципе возможно также использование гранулированного поглотителя, например по варианту 3 рисунка, однако эффективность и надежность в этом случае будет ниже.

Как было показано ранее, реакция взаимодействия ОГ с поглотителем идет постадийно. Сначала по реакции 1 выделяются O₂ и NaOH, затем по реакции 2 идет поглощение CO₂. Наличие избытка воды в ОГ вызывает оплавление поверхности с образованием кристаллогидратов и концентрированного раствора щелочи. Продукты первой стадии срываются с поверхности поглотителя потоком ОГ в виде пены (капель). Таким образом, вторая, наименее активная стадия проводиться в условиях весьма развитой межфазной поверхности по типу взаимодействия газ-жидкость. При этом одновременно удаляются с поверхности поглотителя продукты реакций. Условия удаления с поверхности поглотителя NaOH и Na₂CO₃ гарантированы возможностью практически неограниченного увеличения количества воды в потоке ОГ, отвод твердой и жидкой фаз из потока может быть выполнен в том же аппарате 3 гравитационными методами.

5. Различная реакция способности компонентов ОГ и поглотителя при их взаимодействии по уравнениям 1 и 2 делает практически невозможным полное решение на аппаратном уровне вопроса одновременного количественного регулирования по поглощению CO₂ и выделению O₂. В аналогах невозможно исключить случаи, когда хотя бы по одному из компонентов ИГС - CO₂ или O₂ параметры ИГС выйдут за пределы допустимого. Предлагаемое же техническое решение позволяет благодаря делению потока ОГ на две части регулятором 7 решить на уровне массопереноса вопрос одновременного регулирования количества CO₂ и O₂ в ИГС. Действительно, посредством регулятора 6 регулируется в первую очередь выход кислорода, поскольку реакционная способность поглотителя в аппарате 3 выше по реакции 1. В случае дисбаланса по выходу O₂ и поглощению CO₂ в нейтрализаторе 3, например увеличение концентрации CO₂ в ИГС с помощью регулятора 7, имеется возможность большую часть потока ОГ пустить в нейтрализатор 3, что интенсифицирует отрыв пленки NaOH с поверхности поглотителя и, как следствие, процесс поглощения CO₂ по реакции 2. Полная коррекция управления регуляторами 6 и 7, учитывающая связанность процессов регулирования CO₂ и O₂ в ИГС, может быть выполнена на уровне системы автоматического регулирования (САР) состава ИГС.

Заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обладает следующий совокупностью основных отличительных признаков: 1) регулируемое деление потока ОГ на две части; 2) регулируемое орошение части ОГ водой; 3) подача ОГ в нейтрализаторе параллельно поверхности прессованного (таблетированного) поглотителя.

Указанная совокупность отличительных признаков удовлетворяет критерию "существенные отличия", поскольку сообщает заявляемому способу ряд принципиально новых свойств: 1) возможность одновременного количественного регулирования концентрации O₂ и CO₂ при обработке ОГ в одной реакционной зоне (одном аппарате) без механической транспортировки твердого поглотителя; 2) исключение роста аэродинамических сопротивлений потоку ОГ при его взаимодействии с твердым поглотителем при отсутствии уноса непрореагировавшего поглотителя из зоны реакции в едином процессе обработки ОГ с выделением O₂ и поглощением CO₂.

Предлагаемый способ получения ИГС представляет собой следующую последовательность операций: 1) регулируемое разделение потока ОГ, выходящего из ДВС, на две части; 2) регулируемое орошение части ОГ водой; 3) подача увлажненной части ОГ параллельно поверхности пресованного (таблетированного) поглотителя; 4) удаление из увлажненной части ОГ твердых частиц и капельной влаги после взаимодействия с поглотителем; 5) смешивание частей ОГ в один поток; 6) охлаждение потока газов до температуры 60^oC80^oC одновременным удалением образовавшегося конденсата; 7) подача ИГС на выпуск ДВС.

Доказательством решения поставленной задачи является следующее: 1) повышается надежность приготовления ИГС за счет более стабильного режима и условий проведения реакций взаимодействия ОГ с поглотителем, более эффективного удаления продуктов из зоны реакции, отсутствия роста аэродинамических сопротивлений; 2) повышается устойчивость и управляемость процессов поглощения CO₂ и выделения O₂ за счет возможности одновременного количественного регулирования концентрации O₂ и CO₂ и ИГС; 3) улучшаются экономические показатели за счет более полного использования запаса поглотителя, отсутствие уноса непрореагировавшего поглотителя из зоны реакций.

Список использованных источников

1. АС СССР N 1663222 от 15.07.91 г.