устройство для получения газообразного кислорода, обеспечивающего работу поршневого двигателя внутреннего сгорания по замкнутому циклу

Формула изобретения

Устройство получения газообразного кислорода, обеспечивающего работу двигателя внутреннего сгорания по замкнутому циклу, состоящее из герметического реактора с крышкой с подвергаемым гидролизу твердым источником кислорода, форсунки, отвода с вентилем в донной части реактора и трубопровода с вентилем в верхней части реактора, отличающееся тем, что форсунка установлена на крышке и присоединена к трубопроводу с вентилем, в верхней части реактора смонтирован дополнительный отвод с вентилем, а внутри полости реактора по его осевой линии с зазором размещена емкость с твердым источником кислорода, перфорированная с боковых сторон и опирающаяся на стойки в донной части реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к устройствам получения кислорода для приготовления газовых смесей, используемых для обеспечения работы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих по замкнутому циклу.

При замкнутом цикле работы ДВС не имеет связи с внешней атмосферой, т.е. замкнутым является газовый тракт ДВС (возможен также вариант такой работы, когда только выпускной или только впускной коллектор не связан с атмосферой). В этом случае требуется решить две технические задачи: охладить и поглотить отработавшие газы (ОГ) ДВС (полностью или частично) и получить кислород для создания газовой смеси, используемой для сжигания топлива в цилиндрах ДВС.

Известны различные устройства для решения указанных задач. В частности, в качестве кислорода для газовых смесей можно использовать сжатый кислород в баллонах, либо газообразный кислород, получаемый термическим разложением или гидролизом твердого источника кислорода (ТИК). Например, ряд оксидов (пероксидов, супероксидов) щелочноземельных металлов разлагается водой с получением кислорода и щелочи. Такой ТИК является технически выгодным для реализации ЗЦ ДСВ, поскольку продукты разложения ТИК могут быть использованы как для образования газовой смеси, так и для поглощения диоксида углерода из состава ОГ ДВС [Баданин В.А. Подводные лодки с единым двигателем. СПб.: Гангут, 1998; Кривов В.Г. и др. Экспериментальные исследования работы дизеля на искусственных газовых смесях, отличающихся по составу от воздуха. Двигателестроение, 1989, 12, с.3, 4, 9].

Из заявки RU 97108280 А, 27.04.1999 известно устройство для получения кислорода путем гидролиза ТИК. Устройство представляет собой герметический бункер-реактор с крышкой, заполненный ТИК и оснащенный устройством для подвода воды в бункер-реактор в виде кольцевого коллектора с форсунками, установленными над ТИК. Бункер-реактор имеет также устройство для удаления продуктов разложения ТИК из зоны реакции: по осевой линии бункера-реактора размещен в слое ТИК трубопровод, поверхность которого перфорирована горизонтальными щелевыми отверстиями, при этом трубопровод оборудован отводом с вентилем в донной части реактора. Это устройство является ближайшим аналогом данного изобретения.

Недостатками указанного устройства является неравномерное разложение ТИК в бункере-реакторе вследствие ускоренного разложения около перфорированного трубопровода. Это ведет к сводообразованию из непрореагировавшего ТИК и его налипанию к стенкам бункера-реактора. Кроме того, при отводе продуктов реакции через перфорированный трубопровод газообразные и жидкие продукты не разделяются. В результате устройство требует дополнительных технических средств для разделения продуктов реакции и для регулирования выхода кислорода из бункера-реактора.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в обеспечении эффективного регулирования выхода кислорода, необходимого для газовых смесей при работе ДВС по ЗЦ.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения газообразного кислорода, обеспечивающего работу двигателя внутреннего сгорания по замкнутому циклу, состоящем из герметического реактора с крышкой с подвергаемым гидролизу твердым источником кислорода, форсунки, отвода с вентилем в донной части реактора и трубопровода с вентилем в верхней части реактора, согласно изобретению форсунка установлена на крышке и присоединена к трубопроводу с вентилем, в верхней части реактора смонтирован дополнительный отвод с вентилем, а внутри полости реактора по его осевой линии с зазором размещена емкость с твердым источником кислорода, перфорированная с боковых сторон и опирающаяся на стойки в донной части реактора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором устройство представлено в разрезе. Устройство представляет собой герметический реактор 1, имеющий крышку 2, по центру которой смонтирована форсунка 3, присоединенная к трубопроводу 4 с вентилем 5. По осевой линии реактора 1, в его полости расположена емкость 6 с отверстиями 7 с боковых сторон, заполненная ТИК 8. Емкость 6 размещена в реакторе 1 с зазором 9 на стойках (ножках) 10 в донной части 11 реактора 1. Кроме того, в донной части 11 реактора 1 смонтирован отвод 12 с вентилем 13, а в верхней части 14 реактора 1 установлен дополнительный отвод 15 с вентилем 16.

В перфорированную емкость 6 загружают ТИК 8, при этом размер отверстий 7 в емкости 6 не должен превышать размер частиц (гранул) ТИК. Емкость 6 размещают по осевой линии внутри реактора 1. В качестве ТИК, разлагающихся водой, используются различные вещества, в том числе оксиды (пероксиды, супероксиды) щелочноземельных металлов, например надпероксиды калия и натрия (КС₂ и NaO₂). Их гидролиз описывается обобщенной формулой 2МO₂+H₂O=2MOH+3/2O₂, где М - металл (К, Na). Возможно также появление промежуточных продуктов реакции - пероксида водорода Н₂О₂, который в зоне реакции от высокой температуры разлагается на газообразный кислород и воду, поскольку реакция гидролиза является экзотермической. В качестве равномерного распылителя используют форсунку 3 центробежного или вихревого типа, или с вращающимся распыливателем, которые обладают большим углом (до 180^o) конуса распыливания. Газообразный кислород получают после того как открывают вентиль 5 на трубопроводе 4 и вода распыливается форсункой 3 на слой ТИК 8 в емкости 6. Слой ТИК равномерно вступает в реакцию с водой, при этом жидкие продукты реакции (раствор щелочи) стекают через отверстия 7 по зазору 9 в донную часть 11 реактора и их удаляют по отводу 12 при открытом вентиле 13. Раствор щелочи может быть использован при работе ДВС по ЗЦ для поглощения диоксида углерода. Газообразный кислород беспрепятственно поднимается в верхнюю часть 14 реактора, в том числе и через перфорацию 7 в емкости 6, и его удаляют из реактора через дополнительный отвод 15 при открытом вентиле 16. Отвод 15 в случае работы ДВС по ЗЦ соединен с системой подготовки газовой смеси, используемой для сжигания топлива в цилиндрах ДВС. При такой организации расположения ТИК выход кислорода пропорционален количеству подводимой воды, что позволяет регулировать количество образующегося кислорода количеством подводимой воды. При необходимости увеличения периода генерации кислорода имеется возможность установки группы аналогичных реакторов.

Техническая эффективность устройства обусловлена использованием хорошо известных в технике материалов и оборудования. Техническая эффективность способа использования устройства была подтверждена опытной эксплуатацией описанного реактора, который обеспечивал подготовку газовой смеси для дизель-генератора, работающего по замкнутому циклу.