способ генерации газа и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ генерации газа, заключающийся в преобразовании рабочей среды, поступающей от источника в жидком состоянии, в газообразное состояние с последующим формированием газового потока, подаваемого потребителю, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют обладающий способностью переходить в сверхкритическое состояние криоагент, преобразование которого из жидкого состояния в газообразное осуществляют путем термоинверсии в изохорическом процессе с повышением потенциальной энергии давления получаемой газовой среды, при этом сформированный газовый поток перед подачей потребителю дополнительно редуцируют с последующим газодинамическим эжектированием окружающей среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после газодинамического эжектирования окружающей среды в газовый поток дополнительно впрыскивают распыленную жидкую среду.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что жидкой средой является вода.

4. Установка для генерации газа, содержащая источник находящейся в жидком состоянии рабочей среды, сообщенный, по меньшей мере, с одной камерой, предназначенной для преобразования рабочей среды из жидкого состояния в газообразное, и выходной патрубок, которой сообщен с потребителем, отличающаяся тем, что в качестве рабочей среды использован криоагент, обладающий способностью переходить в сверхкритическое состояние, а выходной патрубок камеры сообщен с потребителем через сообщенные между собой и последовательно по направлению газового потока установленные за камерой газовый редуктор и эжектор.

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что газовый эжектор снабжен регулируемым прерывателем газового потока.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена, по меньшей мере, одной форсункой, сообщенной с источником жидкой среды и установленной на срезе диффузора газового эжектора.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что каждая форсунка дополнительно сообщена с воздушным компрессором.

8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что приводом воздушного компрессора является газовая турбина, установленная на воздушной магистрали, сообщающей выходной патрубок газового редуктора с входным соплом газового эжектора.

9. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной газовой турбиной, установленной на выходе из газового эжектора и кинетически связанной с исполнительным органом.

10. Установка по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена ожижителем газовой среды, сообщенным с источником рабочей среды.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно - к способу генерации газа и установке для его осуществления.

В настоящее время генерацию газа осуществляют различными способами такими, как, например, механические, термические, тепловые и так далее.

Известен способ генерации газа, основанный на использовании механической энергии вентилятора с приводом от двигателя внутреннего сгорания и адиабатического расширения (ускорения) воздушного потока в газодинамическом дозвуковом сопле (US, A, 3567117, 3733029, 3703991, 3774842).

Данный способ характеризуется простотой и легкодоступностью для осуществления генерации газа, и он широко используется в установках для получения искусственного снега. Однако осуществление этого способа требует больших энергетических затрат. Кроме этого, при осуществлении данного способа на известных установках происходит загрязнение окружающей среды из-за выхлопов продуктов неполного сгорания химического топлива двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ генерации газа, основанный на естественном преобразовании предварительно сжиженного природного газа в газообразное состояние под воздействием температуры окружающей среды. Обычно для осуществления такого способа в качестве рабочей среды используют криоагент, который обладает способностью переходить из жидкого состояния в газообразное только в докритической области. Данный способ широко используется в бытовой технике, например, в переносных газовых горелках. Однако из-за малой энергетики и большой взрывоопасности получаемого газового потока данный способ имеет очень узкий диапазон его применения.

Широко известен способ генерации газа, заключающийся в преобразовании рабочей среды, поступающей от источника в жидком состоянии, в газообразное состояние и последующем формировании газового потока, подаваемого потребителю.

Данный способ реализуется на установке, содержащей источник рабочей среды, находящейся в жидком состоянии, который сообщен с камерой, предназначенной для преобразования рабочей среды в газообразное состояние (Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник для вузов. Изд. 2-е, переаб. и доп. Под редак. В. М.Кудрявцева, М., "Высшая школа", 1975, с. 440-456). В качестве рабочей среды используется двухкомпонентное химическое топливо с определенным соотношением, определяющим необходимую температуру газа. Переход рабочей среды из жидкого состояния в газообразное происходит за счет распыления - дробления рабочей среды на капли, распределение их в камере, прогрева и испарения капель, смешения паров горючего и окислителя; химической реакции - собственно процесса горения. Полученная вышеописанным способом газовая среда далее формируется в поток и подается потребителю, например, на газовую турбину.

Данный способ характеризуется высокой работоспособностью полученного газового потока, что позволяет его эффективно использовать в различных высокоэнергетических, высокотемпературных установках, таких как двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, жидкостно-реактивные двигатели. Однако использование в качестве рабочей среды химического или органического топлива приводит к получению газового потока, имеющего большое количество экологически вредных продуктов реакции горения компонентов топлива, что существенно снижает эффективность его использования. Кроме того, используемые компоненты рабочей среды являются дорогостоящими, а усовершенствование конструкции известной установки для осуществления этого способа с целью устранения вредных выхлопов требует больших капитальных затрат.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ генерации газа с использованием такой рабочей среды и установку для осуществления этого способа с таким конструктивным выполнением, которые значительно повысили бы эффективность генерации газа с одновременным улучшением экологичности его получения, что обеспечило бы широкую область их применения.

Поставленная задача решается тем, что в способе генерации газа, заключающемся в преобразовании рабочей среды, поступающей от источника в жидком состоянии, в газообразное состояние с последующим формированием газового потока, подаваемого потребителю, согласно изобретению, в качестве рабочей среды используют обладающий способностью переходить в сверхкритическое состояние криоагент, преобразование которого из жидкого состояния в газообразное осуществляют путем термоинверсии в изохорическом процессе с повышением потенциальной энергии давления получаемой газовой среды, при этом сформированный газовый поток перед подачей потребителю дополнительно редуцируют с последующим газодинамическим эжектированием окружающей среды.

Для расширения области применения данного способа, например, для выделения с его помощью твердой фазы из жидкой среды, например, соли из водного раствора, необходимо после осуществления газодинамического эжектирования окружающей среды в газовый поток дополнительно впрыскивать распыленную жидкую среду.

В тех случаях, когда необходимо получить искусственный снег необходимо в качестве жидкой среды использовать воду.

Предлагаемый способ, выполненный согласно изобретению, позволяет значительно повысить эффективность генерации газа за счет использования в качестве рабочей среды криоагента, работоспособность которого выше работоспособности тепла любой химической реакции, даже самого высококалорийного топлива, что позволяет сделать данный способ экологически чистым. Кроме этого, предлагаемый способ по сравнению с известными является высокоэкономичным за счет использования дешевой, легкодоступной и восстанавливаемой рабочей среды.

Поставленная задача решается тем, что в установке для генерации газа, содержащей источник находящейся в жидком состоянии рабочей среды, сообщенный по меньшей мере с одной камерой, предназначенной для преобразования рабочей среды из жидкого состояния в газообразное и выходной патрубок которой сообщен с потребителем, согласно изобретению в качестве рабочей среды использован криоагент, обладающий способностью переходить в сверхкритическое состояние, а выходной патрубок камеры сообщен с потребителем через сообщенные между собой и последовательно по направлению газового потока установленные за камерой газовые редуктор и эжектор.

Для повышения эффективности работы установки целесообразно, чтобы газовый эжектор был снабжен регулируемым прерывателем газового потока.

Целесообразно установку дополнительно снабдить по меньшей мере одной форсункой, сообщенной с источником жидкой среды и установленной на срезе диффузора газового эжектора.

Такое конструктивное выполнение позволяет на данной установке выделять твердую фазу из жидких растворов, например, использовать ее для получения искусственного снега.

Чтобы обеспечить не замерзание форсунок и повысить эффективность распыления жидкой среды целесообразно, чтобы каждая форсунка была дополнительно сообщена с воздушным компрессором.

Целесообразно, чтобы приводом воздушного компрессора являлась бы газовая турбина, установленная на воздушной магистрали, сообщающей выходной патрубок газового редуктора с входным соплом газового эжектора.

Такое конструктивное выполнение позволит обеспечить как автономность работы установки, так ее автоматическое управление.

Целесообразно предлагаемую установку снабдить дополнительной газовой турбиной, установленной на выходе из газового эжектора и кинематически связанной с исполнительным органом.

Это значительно расширяет область применения предлагаемой установки за счет использования ее в качестве привода различных силовых устройстве.

Для обеспечения автономности работы предлагаемой установки при необходимости работы на ней в условиях отдаленности от стационарного источника криоагента целесообразно, чтобы она была дополнительно снабжена ожижителем газовой среды, сообщенным с источником рабочей среды.

Предлагаемая установка для генерации газа, выполненная согласно изобретению, обладает сравнительно малой энергоемкостью за счет эффективного использования полной энергии криоагента, не производит побочных вредных продуктов, не производит экологически вредных продуктов, не использует химических или органических веществ. Кроме этого, установка надежна в эксплуатации, имеет повышенный ресурс вследствие резкого сокращения по сравнению с аналогичными, а в некоторых случаях полного исключения движущихся деталей и высокотемпературных узлов. Установка обладает сравнительно малыми габаритами, компактна и может работать как от стационарного источника рабочей, среды, так и автономно. Предлагаемая установка за счет конструктивных особенностей имеет широкую область использования и может использоваться как для получения искусственного снега, как холодильная установка, а также и в качестве привода различных силовых устройств.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием примеров конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на

фиг. 1 схематично изображена установка для генерации газа, выполненная согласно изобретению;

фиг. 2 - графическое изображение цикла генерации газа по предлагаемому способу в T-S диаграмме;

фиг. 3 - схематично изображена установка для генерации газа, выполненная согласно изобретению и используемая для получения искусственного снега;

фиг. 4 - графическое изображение цикла получения искусственного снега по предлагаемому снегу в T-S диаграмме;

фиг. 5 - схематично изображена установка для генерации газа, используемая согласно изобретению в качестве холодного газотурбинного двигателя;

фиг. 6 - схематично изображена установка для генерации газа, используемая согласно изобретению для непрерывного получения холодного газового потока.

Варианты осуществления изобретения.

Способ генерации газа, выполненный согласно изобретению, заключается в преобразовании рабочей среды, находящейся в жидком состоянии, в газообразное и последующем формировании газового потока, подаваемого потребителю. В качестве рабочей среды в предлагаемом способе используют криоагент, например, жидкий воздух, преобразование которого из жидкого состояния в газообразное со сверхкритическими параметрами осуществляют путем термоинверсии в изохорическом процессе с повышением потенциальной энергии полученной газовой среды. Сформированный газовый поток перед подачей потребителю дополнительно редуцируют с последующим газодинамическим эжектированием окружающей среды.

Вышеописанный способ реализуется, на предлагаемой установке, содержащей по меньшей мере одну, а в конкретном примере выполнения две камеры 1, 2 (фиг. 1), предназначенные для преобразования рабочей среды из жидкого состояния в газообразное. Каждая камера 1, 2 - представляет собой термически не изолированные тонкостенные сосуды, изготовленные из высокопрочного материала большой теплопроводности. Камеры 1, 2 оборудованы электроконтактными манометрами 3 и 4, предохранительными клапанами 5, 6 и дренажными клапанами 7 и 8 соответственно, при этом камера 1 снабжена дренажным вентилем 9. Каждая из камер 1,2, с одной стороны, сообщена с заправочной магистралью 10. При этом камера 1 сообщена с ней через обратный клапан 11, электроклапан 12 и вентиль 13, установленный параллельно электроклапану 12, а камера 2 сообщена с указанной магистралью 10 только через обратный клапан 1 и электроклапан 15. Заправочная магистраль 10, сообщенная с источником рабочей среды, например, транспортировочным танком (на чертеже не показан), оборудована вентилем 16, предназначенным для начального заполнения камер 1, 2.

С другой стороны, каждая из камер 1, 2 сообщена через вентиль 17, 18, электроклапан 19, 20 и обратный клапан 21 и 22 соответственно с расходной магистралью 23.

Формирование рабочего газового потока на данной установке осуществляется с помощью эжектора 24, содержащего входное сопло 25, смесительную камеру 26 и диффузор 27. Для повышения эффективности работы газовый эжектор 24 снабжен регулируемым прерывателем 28 газового потока, установленным перед входным соплом 25. Расходная магистраль 23 сообщена с входным соплом 25 газового эжектора 24 через газовый редуктор 29.

Установка снабжена реле 30 времени, питание которых осуществляется от электросети.

Работа предлагаемой установки для генерации газа осуществляется следующим образом.

Жидкий воздух или другой криоагент "газообразной породы" с температурой T = -190^oC от источника (не показан), например, транспортировочного танка по заправочной магистрали 10 через вентили 13 и 16, обратные клапаны 11 или 14 и электроклапаны 12 или 15 поступает в одну из камер, например, камеру 1 с предварительным ее захолаживанием с использованием вентиля 9 или электроклапана 7. В камере 1, отсеченной электроклапанами 7, 12, 19 и вентилем 9, жидкий воздух за счет тепла окружающей среды Q испаряется, растет давление и температура. На фиг. 2 этот изохорический процесс изображен кривой ab. Рабочее давление, реализуемое в камере 1 (фиг. 1), определяется интенсивностью подвода внешнего тепла Q окружающей среды и расходной характеристикой магистрали 23, питающей газовый эжектор 24.

При достижении в камере 1 рабочего давления P = 10-20 МПа и T = -80-100^oC газифицированный воздух через открытый вентиль 17, электроклапан 19 и обратный клапан 21 поступает через расходную магистраль 23 на вход газового редуктора 29. В процессе работы при переменном высоком давлении P = 10-20 МПа на входе в газовый редуктор 29 на выходе из него поддерживается постоянное низкое давление P" = 0,2-0,5 МПа. На фиг. 2 этот изоэнтальпийный процесс показан участком, bc. При этом давлении воздух через, регулируемый прерыватель 28 (фиг. 1) газового потока поступает в газовый эжектор 24 через входное сопло 25 (дозвуковое или сверхзвуковое). Проходя входное сопло 25, воздух расширяется (изоэнтропный процесс cd на фиг. 2) и на входе в смесительную камеру 26 (фиг. 1) достигается значительная степень разрежения, вследствие чего в активный поток воздуха за счет эжекции подмешивается значительное количество воздуха (в зависимости от дроссельной характеристики газового эжектора 24) из окружающей среды.

В результате интенсивного смешения активного воздуха, поступаемого из магистрали 23, и пассивного воздуха, поступаемого из окружающей среды, образуется термодинамически и механически равновесная, однородная воздушная смесь заданной температуры, что иллюстрируется на T-S диаграмме участком d-e-f-g на фиг. 2. Полученная воздушная смесь, проходя через диффузор 27 (фиг. 1), уменьшив свою скорость до ~100 м/с и понизив давление до ~0,13 МПа - процесс изображенный на графике участком gh (фиг. 2), выбрасывается из газового эжектора 24 (фиг. 1) с соответствующим запасом количества движения в атмосферу или подается потребителю.

По мере выработки регазифицированного воздуха в камере 1 с помощью системы автоматики, в которой задействованы электроконтактные манометры 3 и 4, электроклапаны - 12, 15, 19 и 20 и реле 30 времени, осуществляется заправка жидким воздухом камеры 2. При этом в каждой из камер 1 или 2 поддерживается заданный диапазон изменения давления, обеспечивающий непрерывную и установившуюся работу установки для генерации газа. Питание системы автоматики осуществляется от электросети. А с помощью вентилей 9, 16, 17, 18 и предохранительных клапанов 5, 6 может быть осуществлено и ручное управление данной установки.

Предлагаемый способ генерации газа может быть использован для вытеснения твердой фазы из жидкой среды, например, соли из водных растворов, или для получения искусственного снега. Для достижения этого после осуществления газодинамического эжектирования окружающей среды в газовый (воздушный) поток, дополнительно выравнивают распыленную жидкую среду, например, воду для получения искусственного снега.

Конструктивно это достигается благодаря тому, что установка, выполненная согласно изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере одну форсунку 31 (фиг. 3), которая установлена на срезе диффузора 27 газового эжектора 24. Каждая форсунка 31 сообщена с водяным коллектором 32, который питается водой от водопроводной сети через трубопровод 33 с вентилем 34. Трубопровод 33 может иметь настроечные шайбы 35. Кроме этого, для предотвращения замерзания как одной форсунки 31 так и целого блока форсунок 31, а также для повышения эффективности распыления жидкой среды каждая форсунка 31 дополнительно сообщена с воздушным коллектором 36, который через воздушную магистраль 37, снабженную вентилем, 38, сообщен с воздушным компрессором 33. Приводом, воздушного компрессора 39 служит газовая турбина 40, установленная на участке расходной магистрали 23, сообщающем выходной патрубок газового редуктора 29 с входным соплом 25 газового эжектора 24. Газовая турбина 40 через редуктор 41 приводит в действие электрогенератор 42 и воздушный компрессор 39. Электрогенератор 42 предназначен для питания элементов системы автоматики.

Работа данного конструктивного выполнения установки осуществляется следующим образом.

После сформирования газового потока по вышеописанному способу на срезе диффузора 27 газового эжектора 24 в него через блок форсунок 31 впрыскивается вода в мелкодиспергированном виде. В результате интенсивного, тепломассообмена в сильно турбулизованном потоке воздуха (включая воздух окружающей среды) от мелких частиц воды отнимается необходимое для превращения их в снег количество тепла. Данный изобарический процесс изображен на T-S диаграмме участком lm (фиг.4). Образовавшийся снег выпадает вдоль следа воздушной струи.

Благодаря своим конструктивным особенностям предлагаемая установка имеет широкую область применения и может использоваться, как описано выше, в качестве холодильной, установки или установки для получения искусственного снега, а кроме того, может служить приводом различных силовых устройств. Последнее, в частности достигается тем, что предлагаемая установка, снабжена дополнительной газовой турбиной 43 (фиг. 5), установленной на выходе из газового эжектора 24. Вал дополнительной газовой турбины 43 кинематически соединен с исполнительным органом, например, через понижающий редуктор 44 с электрогенератором 45. В данном конcтруктивном выполнении предлагаемой установки источником рабочей среды является накопитель 46 криоагента специальной конструкции.

Преобразование, криоагента, например, жидкого воздуха, в газообразное состояние и формирование газового потока в предлагаемом конструктивном выполнении установки осуществляется аналогично вышеописанному. Образованный в камере 26 смешения газового эжектора 24 однородный воздушный поток через диффузор 27 поступает на лопатки дополнительной газовой турбины 43 с повышенным давлением и соответствующим запасом количества движения, а затем выбрасывается в атмосферу. Мощность с дополнительной турбины 43 через понижающий редуктор 44 передается на электрогенератор 45. Данное конструктивное выполнение установки позволяет получить простой по конструкции, экологически чистый двигатель, у которого источником работы является только градиент температур криоагента и окружающей среды.

Для обеспечения автономности предлагаемой установки при необходимости работы на ней в условиях отдаленности от стационарного источника криоагента, она дополнительно снабжена ожижителем 47 (фиг. 6) газовой среды, работающим по замкнутому циклу Стирлинга и сообщенным с накопителем 46 криоагента.

Работа данного варианта конструктивного выполнения предлагаемой установки осуществляется следующим образом.

При запуске установки воздух из атмосферы самотеком поступает в ожижитель 47, где происходит его сжижение и полученный жидкий воздух собирается в накопителе 46 криоагента, образуя его гарантийный запас (в расчете на проведение профилактических мероприятий по размораживанию трактов ожижителя 47, предполагаемое покрытие пиковых нагрузок на холодопроизводительность и тому подобное). Из накопителя 46 жидкий воздух с температурой Т=-190^oC поступает в заправочную магистраль 10. Далее процесс осуществляется аналогично вышеописанному.

Промышленная применимость.

Настоящее изобретение наиболее эффективно использовать в холодильной технике для получения холода, кондиционирования воздуха, получения искусственного снега, фракционирования жидких растворов, а также для использования в качестве источника энергии в двигательных установках, используемых как транспортное средство, так и при работе в шахтах, трюмах и тому подобное.