энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой

Формула изобретения

Энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая дизельную энергоустановку замкнутого цикла с охладителем, теплоиспользующую холодильную машину и линию подачи криогенного окислителя, отличающаяся тем, что теплоиспользуемая холодильная машина выполнена в виде пароэжекторной холодильной машины, замкнутый контур дизельной установки проходит через каталитический нейтрализатор, парогенератор пароэжекторной холодильной машины, реактор с химическим поглотителем и к контуру подсоединены линия подачи газообразного азота, линия подачи газообразного водорода, включающая реактор генерации водорода, в котором расположен испаритель-подогреватель линии подачи криогенного окислителя и линия подачи технической воды.

Описание изобретения к патенту

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.

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).

Известна схема пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя парогенератор, эжектор, холодильник, конденсатор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в парогенераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) в холодильнике (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим. -тех. вузов. М.: Высшая школа, 1986, стр. 105). Однако для работы пароэжекторной холодильной машины необходим источник теплоты для образования перегретого пара.

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(HCJ₃)

(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, CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂

(Гидриды металлов. Под редакцией 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, представляющие 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.).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на синтез-газе, реактор, машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет полученной в реакторе высокопотенциальной теплоты, разомкнутый контур с криогенным окислителем (патент РФ N 2088864, бюл. N 24 от 27.08.97 г.). Однако работа дизеля на синтез-газе с внешним смесеобразованием приводит к снижению КПД.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в сокращении объемов хранилищ ТАВ, жидкого углеводородного топлива, повышении КПД дизеля, получении дополнительной полезной энергии.

Для достижения данного технического результата, энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла и теплоиспользующую холодильную машину, выполненную в виде пароэжекторной холодильной машины, линию подачи криогенного окислителя, снабжена линией подачи газообразного азота, линией подачи газообразного водорода с реактором генерации водорода, линией подачи технической воды, обеспечивающих снабжение дизеля горючим, при этом через парогенератор пароэжекторной холодильной машины проходит замкнутый контур дизельной энергоустановки, испаритель-подогреватель линии подачи криогенного окислителя расположен в реакторе генерации водорода, а дизельная энергоустановка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, охладителем и реактором с химическим поглотителем.

Введение в состав энергетической установки испарителя-подогревателя линии подачи криогенного окислителя, азота, водорода и технической воды, а также холодильной машины, выполненной в виде пароэжекторной холодильной машины, позволяет получить новое свойство, заключающееся в повышении КПД дизеля за счет использования водородосодержащего горючего, а также генерацию холода в холодильной машине за счет теплоты отработавших газов дизеля.

На чертеже изображена энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Энергетическая установка в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания 2, после которого расположен парогенератор (на рис. не показан) пароэжекторной холодильной машины 3, работающей за счет теплоты отработавших газов дизеля, охладителя 4, скруббера (реактора) для химического поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 5, компрессора 6, смесителя 7, а также линии подачи газообразного азота, которая включает в себя емкость для его хранения 8 и запорно-регулирующий вентиль 9, линию подачи криогенного окислителя, которая включает в себя емкость для его хранения 10, испаритель-подогреватель 11 и запорно-регулирующий вентиль 12, линию подачи технической воды, включающая в себя емкость для хранения технической воды и сбора конденсата 13, насос подачи технической воды 14 и обратный клапан 15, линию подачи газообразного водорода, содержащая реактор генерации водорода 16, запорно-регулирующий вентиль 17 и компрессор 18.

Энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой работает следующим образом.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в ней запасается необходимое (расчетное) количество газообразного азота, жидкого кислорода соответственно в емкостях 8, 10, а также гидрида металла (например лития, LiH).

Перед переключением дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой из емкости 13 насосом 14 через обратный клапан 15 в реактор 16 подается расчетное количество 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 8 и окислителя-кислорода из емкости 10 через испаритель-подогреватель 11, запорно-регулирующий вентиль 12 и смеситель 7. В конце такта сжатия в камеру сгорания двигателя подается газообразный водород из реактора 16 через запорно-регулирующий вентиль 17 компрессором 18 с давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания (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 окисление продуктов неполного сгорания в CO₂ и H₂O_(пар), в парогенератор (условно не показан) пароэжекторной холодильной машины 3, в котором срабатывают свой термодинамический потенциал, далее в охладитель 4, в котором отработавшие газы охлаждаются, а водяной пар конденсируется и выводится из цикла в емкость 13, и затем через реактор 5 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 6 и смеситель 7, в котором газовая смесь обогащается кислородом до необходимой концентрации, подаются на впуск дизеля.

Выведенный из цикла в емкость 13 конденсат водяного пара насосом 14 через обратный клапан 15 подается в реактор 16, куда одновременно подается гидрид металла, например лития, и в нем генерируется топливо - водород.

При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 8 путем закрытия вентиля 9, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, окиси азота и кислорода (N₂ + NO + O₂).

Жидкий кислород, воспринимая теплоту химической реакции образования водорода, в испарителе-подогревателе 11 газифицируется и через запорно-регулирующий вентиль 12 поступает в смеситель 7.

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. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. Учеб. для хим.-тех. вузов. М.: Высшая школа, 1986, стр. 105.

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 редакцией В. Мюллера, Д.Блэкледжа и Дж. Либовица. Перевод с английского. М.: Атомиздат, 1973, с. 18-24).

6. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. проф. М.П.Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 363-364.

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

8. Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г. - прототип.