анаэробная энергоустановка с двигателем стирлинга для подводной лодки

Формула изобретения

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки, 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 теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, расположенным на магистрали жидкого кислорода и связанным линией слива сжиженного кислорода с емкостью жидкого кислорода, адсорбером для вымораживания СО₂ и Н₂О, расположенным на магистралях горючего и окислителя, а также теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, при этом линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, адсорбер и теплообменник-ожижитель остаточного кислорода, а 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 морских объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например подводных лодок и глубоководных аппаратов

Известно устройство двигателя Стирлинга - преобразователя энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты, включающего в себя камеру сгорания и холодильник. Однако, для повышения к.п.д. 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., "Мир", 1986, стр. 55).

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, - стр. 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 - стр. 28-29).

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 линии 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, - стр. 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 осуществления изобретения, заключается в уменьшении массогабаритных характеристик установки, а также в снижении стоимости эксплуатации анаэробной установки и подводкой лодки в целом.

Для достижения этого технического результата анаэробная установка с двигателем Стирлинга для подводной лодки, 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 теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, расположенным на магистрали жидкого кислорода и связанным линией слива сжиженного кислорода с емкостью жидкого кислорода, адсорбером для вымораживания СО₂ и Н₂О, расположенным на магистралях горючего и окислителя, а также теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, при этом линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, адсорбер и теплообменник-ожижитель остаточного кислорода, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

Введение в состав анаэробной установки с двигателем Стирлинга теплообменника-ожижителя остаточного кислорода в отработанных газах, адсорбера для вымораживания СО₂ и Н₂О, теплообменника-охладителя отработанных газов и использование в качестве криогенного горючего сжиженного природного газа позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности утилизации и хранения продуктов сгорания углеводородного топлива внутри подводной лодки, а также значительно снизить эксплутационные затраты на использование и хранение криогенного топлива за счет применения более дешевого горючего СПГ.

На чертеже изображена анаэробная установка с двигателем Стирлинга для подводной лодки.

Анаэробная установка 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, теплообменника-ожижителя остаточного кислорода 8, адсорбера 9, холодильного блока 10, экономайзера 11, теплообменника-охладителя отработанных газов 12, линии отработанных газов 13, линии слива сжиженного кислорода 14, магистрали подачи забортной воды 15 с насосом 16, проходящей через аккумулятор холода 3 и теплообменник-охладитель 12.

Двигатель Стирлинга 1 включает в себя камеру сгорания 17 и холодильник 18. Через холодильник 18 двигателя 1 проходит контур охлаждения 2, связывающий двигатель 1 с аккумулятором холода 3 и холодильным блоком 10. Для циркуляции теплоносителя в контуре охлаждения 2 предназначен насос 19 Камера сгорания 17 двигателя 1 связана с емкостью жидкого кислорода 4 магистралью подачи 6, проходящей через теплообменник-ожижитель 8 остаточного кислорода отработанных газов, адсорбер 9, холодильный блок 10, экономайзер 11, и содержащей насос 20. Сжиженный природный газ из емкости 5 поступает в камеру сгорания 17 по магистрали 7, проходящей через адсорбер 9, холодильный блок 10, экономайзер 11, и содержащей насос 21.

Отработанные газы из камеры сгорания 17 по линии отработанных газов 13 последовательно поступают в экономайзер 11, теплообменник-охладитель отработанных газов 12, адсорбер 9 и теплообменник-ожижитель 8.

Анаэробная установка с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

Предварительно, перед началом функционирования подводной лодки в автономном режиме, в нем запасаются в необходимых количествах рабочие среды: жидкий кислород в емкости 4 и сжиженный природный газ в емкости 5. Для обеспечения полноты сгорания природного газа, которая характеризуется содержанием СО (окиси углерода) и С (углерода) в отработанных газах, в камеру сгорания 17 подается избыточный кислород по сравнению с его количеством, которое определяется стехиометрическим соотношением.

В камере сгорания 17 происходит реакция горения СПГ и кислорода (с избыточным его количеством) с выделением теплоты, которая передается рабочему телу двигателя Стирлинга 1. Для высокоэффективной работы двигателя 1 в его холодильник 18 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 19 подается в холодильный блок 10. 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 18 для охлаждения двигателя 1. Охлаждение теплоносителя до более низких, чем окружающая среда, температур позволяет значительно повысить к.п.д. двигателя Стирлинга 1 за счет снижения его минимальной температуры цикла.

В холодильный блок 10 жидкий кислород и сжиженный природный газ подаются из емкостей 4 и 5 соответственно насосами 20 и 21 по магистралям 6 и 7. Предварительно кислородная магистраль проходит сначала через теплообменник-ожижитель 8, где сжижается остаточный кислород отработанных газов, который потом сливается по линии 14 в емкость 4, а потом совместно с магистралью СПГ 7 проходит через адсорбер 9, где вымораживаются СО₂ и Н₂О из отработанных газов. В холодильном блоке 10 природный газ и кислород нагреваются с повышением давления, охлаждая теплоноситель контура охлаждения 2, так как имеют более низкий уровень температур, после чего поступают в экономайзер 11, где перегреваются до высокой температуры, ввиду теплообмена с отработанными газами, выходящими из камеры сгорания 17. Затем природный газ и кислород поступают в камеру сгорания 17, где происходит реакция горения. Продукты сгорания (отработанные газы) удаляются из камеры сгорания 17 по линии 13. После экономайзера 11 отработанные газы поступают в теплообменник-охладитель 12, где охлаждаются забортной водой до температуры окружающей среды. Затем, отработанные газы поступают в адсорбер 9, где из них вымораживаются СО₂ и Н₂О, а оставшийся кислород из отработанных газов подается в теплообменник-ожижитель 8 для конденсации. Забортная вода в подводную лодку подается по магистрали 15 с помощью насоса 16.

Источники информации

1. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., "Мир", 1986, стр. 55.

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

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

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, стр. 192 - прототип.