анаэробная энергоустановка с двигателем стирлинга для подводных технических средств

Формула изобретения

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводных технических средств, содержащая двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем - кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива (горючего и окислителя) и линия отработанных газов, холодильный блок, расположенный на магистралях подачи криогенных компонентов топлива и через который проходит контур охлаждения двигателя, отличающаяся тем, что снабжена последовательно установленными на линии отработанных газов теплообменником-охладителем, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратором и компрессором, при этом компрессор оборудован байпасной линией, емкости с криогенными компонентами топлива расположены вне внутреннего пространства подводного технического средства, а магистраль забортной воды последовательно проходит через аккумулятор холода и теплообменник-охладитель, причем в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для подводных технических средств, функционирующих без связи с атмосферой, например, подводных лодок и глубоководных аппаратов.

Известно, что природный газ является наиболее перспективным моторным топливом, поскольку он значительно дешевле дизельного топлива и бензина, а также при его сгорании образуется меньшее количество вредных компонентов (окислов) в отработанных газах (Седых А.Д., Роднянский В.М. Политика Газпрома в области использования природного газа в качестве моторного топлива. //Газовая промышленность. 10, 1999. - с. 8-9).

Известно, что для транспортных средств наиболее целесообразно применять сжиженный природный газ (СПГ), поскольку в данном случае топливные системы имеют меньшие массогабаритные характеристики, чем у транспортных средств со сжатым природным газом (Чириков К.Ю., Пронин Е.Н. Перспективы применения СПГ на транспорте.//Газовая промышленность. 10, 1999. - с. 28-29).

Известно устройство двигателя Стирлинга - преобразователя энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты, включающего в себя камеру сгорания и холодильник.

Однако для повышения кпд двигателя Стирлинга целесообразно использовать охлаждающую среду с температурой ниже температуры окружающей среды для снижения минимальной температуры цикла двигателя (Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, с. 55 ).

Известна анаэробная установка с двигателем Стирлинга, предназначенная в том числе и для подводной лодки, содержащая двигатель Стирлинга, контур охлаждения двигателя, проходящий через аккумулятор холода, в который подается забортная вода, емкости с криогенными компонентами топлива - жидким водородом и жидким кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива и линия отработанных газов, холодильный блок, расположенный на магистралях подачи криогенных компонентов топлива и через который проходит контур охлаждения двигателя (Кириллов Н.Г. Автономная энергоустановка с двигателем Стирлинга. Заявка РФ на изобретение 96116770, F 02 G 1/ 04, бюл. 32 от 20.11.98, с. 192).

Однако в данной установке в качестве горючего применяется жидкий водород, который с одной стороны, является очень дорогим веществом, а с другой стороны, его хранение требует применения азотного экрана, что значительно усложняет конструкцию и стоимость криогенной емкости по сравнению с хранением жидкого природного газа.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении массогабаритных характеристик и упрощении конструктивного исполнения установки, а также снижении взрыво- и пожароопасности и стоимости эксплуатации подводных технических средств.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводных технических средств, содержащая двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем - кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива (горючего и окислителя) и линия отработанных газов, холодильный блок, расположенный на магистралях подачи криогенных компонентов топлива и через который проходит контур охлаждения двигателя, снабжена последовательно установленными на линии отработанных газов теплообменником-охладителем, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратором и компрессором, при этом компрессор оборудован байпасной линией, емкости с криогенными компонентами топлива расположены вне внутреннего пространства подводного технического средства, а магистраль забортной воды последовательно проходит через аккумулятор холода и теплообменник-охладитель, причем в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

Введение в состав анаэробной энергоустановки с двигателем Стирлинга в линии отработанных газов теплообменника-охладителя, сепаратора, компрессора с байпасной линией, а также использование в качестве криогенного горючего сжиженного природного газа и размещение емкостей с криогенными компонентами топлива вне внутреннего пространства подводного технического средства позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности выброса отработанных газов за борт при погружении на большие глубины, а также значительное снижение взрыво- и пожароопасности и эксплутационных затрат за счет использования и хранения криогенного топлива состава "СПГ-кислород" вне внутреннего пространства подводного технического средства.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводных технических средств.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга состоит из преобразователя энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты (двигатель Стирлинга) 1, контура охлаждения 2 преобразователя 1, аккумулятора холода 3, емкости с жидким кислородом 4, емкости со сжиженным природным газом СПГ 5, магистрали подачи кислорода 6, магистрали подачи СПГ 7, холодильного блока 8, экономайзера 9, теплообменника-охладителя отработанных газов 10, линии отработанных газов 11, магистрали подачи забортной воды 12 с насосом 13, проходящей через аккумулятор холода 3 и теплообменник-охладитель отработанных газов 10.

Двигатель Стирлинга 1 включает в себя камеру сгорания 14 и холодильник 15. Через холодильник 15 двигателя 1 проходит контур охлаждения 2, связывающий двигатель 1 с аккумулятором холода 3 и холодильным блоком 8. Для циркуляции теплоносителя в контуре охлаждения 2 предназначен насос 16. Камера сгорания 14 двигателя 1 связана с емкостью жидкого кислорода 4 магистралью подачи 6, проходящей через холодильный блок 8, экономайзер 9, и содержащей насос 17. Сжиженный природный газ из емкости 5 поступает в камеру сгорания 14 по магистрали 7, проходящей через холодильный блок 8, экономайзер 9, и содержащей насос 18. Линия отработанных газов 11 содержит сепаратор 19, компрессор 20, размещенные после теплообменника-охладителя 10. Компрессор 20 снабжен байпасной линией 21 с регулирующим вентилем 22.

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

Предварительно, перед началом функционирования подводного технического средства в автономном режиме, в нем запасаются в необходимых количествах рабочие среды: жидкий кислород в емкости 4 и сжиженный природный газ в емкости 5. В камере сгорания 14 происходит реакция горения СПГ и кислорода с выделением теплоты, которая передается рабочему телу двигателя Стирлинга 1. Для высокоэффективной работы двигателя 1 в его холодильник 15 подается теплоноситель контура охлаждения 2, который, охлаждая двигатель 1, нагревается и подается в аккумулятор холода 3, где теплоноситель отдает значительную часть теплоты, полученной от двигателя 1, забортной воде, охлаждается и насосом 16 подается в холодильный блок 8. Здесь теплоноситель охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды (забортной воды) за счет теплообмена с криогенными компонентами топлива (СПГ и кислородом), после чего вновь поступает в холодильник 15 для охлаждения двигателя 1. Охлаждение теплоносителя до более низких, чем окружающая среда, температур позволяет значительно повысить кпд двигателя Стирлинга 1 за счет снижения его минимальной температуры цикла.

В холодильный блок 8 жидкий кислород и сжиженный природный газ подаются из емкостей 4 и 5 соответственно насосами 17 и 18 по магистралям 6 и 7. В холодильном блоке 8 природный газ и кислород нагреваются, переходят в газообразное состояние с повышением давления, охлаждая теплоноситель контура охлаждения 2, так как имеют более низкий уровень температур, после чего поступают в экономайзер 9, где перегреваются до высокой температуры, ввиду теплообмена с отработанными газами, выходящими из камеры сгорания 14. Затем природный газ и кислород поступают в камеру сгорания 14, где происходит реакция горения. Продукты сгорания (отработанные газы) удаляются из камеры сгорания 14 по линии 11. После экономайзера 9 отработанные газы поступают в теплообменник-охладитель 10, где охлаждаются забортной водой до температуры окружающей среды. Затем отработанные газы поступают в сепаратор 19, где из них отделяется Н₂О, а оставшаяся часть отработанных газов выбрасывается за борт. В случае, если подводное техническое средство погружается на глубину до 300 метров, то компрессор 20 не работает, а отработанные газы выбрасываются через байпасную линию 21, при этом регулирующий вентиль 22 открыт. При погружении на глубину свыше 300 метров, вентиль 22 закрывается, а отработанные газы выбрасываются с помощью компрессора 20.

Забортная вода в подводную лодку подается по магистрали 12 с помощью насоса 13, при этом она первоначально проходит через аккумулятор холода 3, а затем поступает в теплообменник-охладитель 10, после чего удаляется за борт.

Источники информации

1. Седых А.Д., Роднянский В.М. Политика Газпрома в области использования природного газа в качестве моторного топлива.//Газовая промышленность. 10, 1999. - с. 8-9.

2. Чириков К.Ю., Пронин Е.Н. Перспективы применения СПГ на транспорте.// Газовая промышленность. 10, 1999. - с. 28-29.

3. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., Изд. "Мир", 1986, с. 55.

4. Кириллов Н.Г. Автономная энергоустановка с двигателем Стирлинга. Заявка РФ на изобретение 96116770, F 02 G 1/04, бюл. 32 от 20.11.98, с. 192 - прототип.