энергохолодильная система для объектов, функционирующих без связи с атмосферой

Формула изобретения

Энергохолодильная система для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая дизельную энергоустановку замкнутого цикла с теплообменником, связанным с холодильной машиной, и линию подачи криогенного окислителя, отличающаяся тем, что холодильная машина выполнена в виде пароэжекторной холодильной машины, теплообменник выполнен в виде парогенератора пароэжекторной холодильной машины, замкнутый контур дизельной энергоустановки проходит через каталитический нейтрализатор, реактор генерации водорода с расположенным в нем парогенератором пароэжекторной холодильной машины, промежуточный теплообменник-конденсатор, в котором расположен испаритель-подогреватель линии подачи криогенного окислителя, реактор с химическим поглотителем, к контуру подсоединены линия подачи газообразного азота, линия подачи газообразного водорода, 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 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-испаритель, 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 необходимо подведение к ней теплоты для образования перегретого пара.

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. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314-327).

Известно взаимодействие щелочноземельного металла магния с сухим и влажным азотом (Самсонов Г.В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - с. 34-38).

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 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(HCO₃)

(Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994. - с. 196-197).

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 выделяющегося при сгорании топлива тепла (Мищенко А.И. //Автомобильная промышленность. 1986. N 11. С. 8-10).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющих 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 обусловливает 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, машину Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет высоко потенциальной теплоты синтез-газа, и 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, повышении КПД дизеля, получении дополнительной полезной энергии.

Для достижения данного технического результата энергохолодильная система для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя дизельную энергоустановку замкнутого цикла, теплоиспользующую холодильную машину, выполненную в виде пароэжекторной холодильной машины, работающую за счет высокопотенциальной теплоты, генерируемой в замкнутом контуре дизельной энергоустановки, и линию подачи криогенного окислителя, снабжена линией подачи газообразного азота, газообразного водорода с реактором генерации водорода, линией подачи технической воды, обеспечивающих снабжение дизеля горючим, при этом парогенератор пароэжекторной холодильной машины расположен в реакторе генерации водорода, испаритель-подогреватель линии подачи криогенного окислителя расположен в промежуточном теплообменнике-конденсаторе, а дизельная энергоустановка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, охладителем и реактором с химическим поглотителем.

Введение в состав энергохолодильной системы линии подачи азота и водорода, каталитического нейтрализатора и реактора с химическим поглотителем в дизельной энергоустановке замкнутого цикла, а также холодильной машины, выполненной в виде пароэжекторной холодильной машины, позволяет получить новое свойство, заключающееся в повышении КПД дизеля за счет использования водородосодержащего горючего и уменьшении объемов ТАВ.

На чертеже изображена энергохолодильная система для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Энергохолодильная система в своем составе имеет дизельную энергоустановку замкнутого цикла, состоящую из дизеля 1, каталитического нейтрализатора 2, реактора 3 с накопителем твердой фазы 4, бункера со щелочноземельным металлом 5, сепаратора 6, промежуточного теплообменника-конденсатора 7, скруббера (реактора) для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 8, компрессора 9, смесителя 10, емкости хранения технической воды и сбора конденсата 11, насоса подачи технической воды 12, запорно-регулирующего вентиля 13, а также, линии подачи криогенного окислителя, которая включает в себя емкость для хранения жидкого кислорода 14, испаритель-подогреватель 15 и регулятор давления 16, линии подачи газообразного азота, которая включает емкость для его хранения 17 и запорно-регулирующий вентиль 18, линии подачи газообразного водорода, которая включает емкость для его хранения 19 и запорно-регулирующий вентиль 20, пароэжекторную холодильную машину, которая включает эжектор 21, конденсатор 22, питательный насос 23, парогенератор 24, дроссельный вентиль 25, холодильник-испаритель 26, контур ТАВ, включающий емкость 27 для хранения холодного ТАВ, питательный насос 28, запорно-регулирующие вентили 29, 30, 31, теплообменник 32, запорно-регулирующие вентили 33, 34, и емкость 35 для хранения горячего ТАВ. Емкость для хранения жидкого кислорода 14 снабжена насосом высокого давления 36 и регулирующим вентилем 37.

Энергохолодильная система 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 криогенного окислителя в емкости 14, газообразных продуктов - азота и водорода, соответственно в емкостях 17,19, технической воды в емкости 11 и щелочноземельного металла, например магния, в бункере 5.

При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой на впуск дизеля 1 подается расчетное количество инертного наполнителя, азота из емкости 17, и топлива, водорода из емкости 19, через смеситель 10. В конце такта сжатия в камеру сгорания (не показана) двигателя 1 подается газообразный кислород из испарителя-подогревателя 15, через регулятор давления 16 под давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания дизеля 1 (не показана).

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, через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит окисление продуктов неполного сгорания в CO₂ и H₂O_пар, поступают в реактор 3, куда из бункера 5 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний.

В реакторе 3 протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO+C и газовая N₂+H₂+CO+H₂O_пар+ CO₂ фазы и сопровождающиеся выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1500K) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе 6. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал, передавая теплоту рабочему телу пароэжекторной холодильной машины через парогенератор 24, направляется в промежуточный теплообменник-конденсатор 7, в котором отработавшие газы охлаждаются, отдавая теплоту жидкому окислителю, подаваемому из емкости 14 с помощью насоса 36 через регулирующий вентиль 37 в испаритель-подогреватель 15 а водяной пар конденсируется и выводится из цикла в емкость 11, и затем через реактор 8 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 9 и смеситель 10 подаются на впуск дизеля 1.

Вода из емкости 11 питательным насосом 12 через запорно-регулирующий вентиль 13 и накопитель твердой фазы 4, воспринимая теплоту от твердой фазы и превращаясь в пар, поступает в реактор 3, в котором вместе с отработавшими газами дизеля 1 взаимодействует с магнием. При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача азота из емкости 17, водорода из емкости 19 путем закрытия вентилей 18 и 20 соответственно и дизель 1 функционирует по замкнутому циклу на рабочей смеси, состоящей из азота, водорода и окиси углерода (N₂+H₂+CO).

Рабочее тело пароэжекторной холодильной машины, воспринимая теплоту газовой фазы и превращаясь в сухой насыщенный пар в парогенераторе 24, поступает в эжектор 21. В камере смешения (не показана) он смешивается с сухим насыщенным паром, поступающим из холодильника-испарителя 26. Из эжектора 21 смесь поступает в конденсатор 22, где происходит ее полная конденсация. Одна часть конденсата с помощью питательного насоса 23 поступает в парогенератор 24, другая часть конденсата через дроссельный вентиль 25 поступает в холодильник-испаритель 26, где воспринимает теплоту от системы кондиционирования воздуха специального сооружения.

Охлаждающая жидкость из емкости 27 насосом 28 через запорно-регулирующий вентиль 29 поступает в конденсатор 22, где воспринимает теплоту конденсации рабочего тела пароэжекторной холодильной машины, тем самым обеспечивая совершение обратного термодинамического цикла в холодильной машине, затем через запорно-регулирующие вентили 30 и 31, теплообменник 32, запорно-регулирующие вентили 33, 34, воспринимая теплоту в накопителе твердой фазы 4 реактора 3 и двигателя 1 с температурой, близкой к температуре насыщения, отводится в емкость 35 горячего ТАВ.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. 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.

2. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных стем. М.: Машиностроение, 1978. - стр. 305.

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. 34-38.

5. Самсонов Г. В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: "НАУКОВА ДУМКА", 1978. - с. 213-214.

6. А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежные стран. - СПб.: Судостроение, 1994. - с 196-197).

7. Мищенко А.И. //Автомобильная промышленность. 1986. N 11. С. 8-10.

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

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