Анаэробная энергосиловая установка на основе двигателя стирлинга

 

Использование: энергетическое и транспортное машиностроение. Сущность изобретения: отработанные газы из камеры сгорания 7 двигателя Стирлинга 1 подаются в систему получения искусственной газовой смеси 2, где в результате реакции с щелочноземельным металлом образуют значительное количество теплоты и "синтез-газ", используемый в дальнейшем в качестве горючего для двигателя 1. "Синтез-газ" с высоким термодинамическим потенциалом поступает в нагреватель 17 дополнительного двигателя Стирлинга 3, где передает тепло рабочему телу, за счет этого обеспечивается совершение термодинамического цикла в дополнительном двигателе 3 с получением полезной работы. Жидкий кислород из емкости 20 насосом 21 подается в холодильники 9, 19, где охлаждает рабочие тела двигателей 1, 3 до значений температуры ниже температуры окружающей среды, тем самым повышая КПД двигателей 1,3. Затем он в газообразном состоянии, расширяясь в детандере 25 с получением полезной работы, используется в качестве окислителя для двигателя 1. 1 ил.

изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергосиловой установки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например, глубоководных аппаратов и специальных сооружений.

Известен способ получения искусственной газовой смеси и повышения термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки, работающей по замкнутому циклу, для объектов без связи с атмосферой. Суть этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси углерода (CO₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигателе, например газовой турбине. Недостатком этих энергоустановок является то, что при отсутствии связи с атмосферой, для их функционирования необходимы системы предварительного запаса или регенерации кислорода, что приводит к усложнению конструктивного исполнения и увеличению объемов материальных сред внутри объекта [1] Известно выражение для определения максимального коэффициента полезного действия (к.п.д.) тепловой машины: где T_min- минимальная температура цикла; T_max - максимальная температура цикла.

Чем ниже T_min, тем выше КПД. Однако поскольку отвод теплоты обычно осуществляется в окружающую среду, то T_min ограничен температурой окружающей среды [2] Известна анаэробная (работающая без потребления атмосферного воздуха) вспомогательная энергетическая установка с двигателями Стирлинга, причем окислитель, кислород, хранится в жидком состоянии в теплоизолированном баке, обеспечивающем минимальный уровень поглощения тепла от окружающей среды. Однако низкотемпературный потенциал жидкого кислорода не используется для повышения КПД двигателя путем понижения минимальной температуры цикла двигателя до значений ниже температуры охлаждающей заборной воды [3] Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД двигателей Стирлинга и всей установки в целом, получении дополнительной электрической энергии для нужд объекта.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга, состоящая из двигателя Стирлинга, системы хранения жидкого окислителя, снабжена системой получения искусственной газовой смеси, состоящей из реактора, бункера с щелочноземельным металлом, накопителя твердых продуктов реакции, сепаратора, и дополнительным двигателем Стирлинга, работающим на счет термодинамического потенциала отработанных сред основного двигателя, при этом для охлаждения двигателей используется низкотемпературный окислитель.

Введение в состав анаэробной энергосиловой установки на основе двигателей Стирлинга системы получения искусственной газовой смеси и использование низкотемпературного окислителя для охлаждения двигателей позволяет получить новое свойство, заключающееся, во-первых, в повышении термодинамического потенциала отработанных газов основного двигателя, с целью их использования в дополнительном двигателе, и, во-вторых, в возможности снижения минимальной температуры в цикле двигателей Стирлинга.

На чертеже изображена анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга.

Анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга включает в себя контур основного двигателя Стирлинга 1, систему получения искусственной газовой смеси 2, контур дополнительного двигателя Стирлинга 3, разомкнутый контур с криоагентом 4.

Контур основного двигателя Стирлинга 1 состоит из поршневой группы 5, нагревателя, расположенного в камере сгорания 7, регенератора 8 и холодильника 9.

Система получения искусственной газовой смеси 2 включает в себя: реактор 10, бункер с щелочноземельным металлом 11, накопитель твердых продуктов реакции 12, сепаратор 13. Реактор 10 соединен с камерой сгорания 7 двигателя 1 газоходом 14.

Система получения искусственной газовой смеси 2 газоходом 15 соединена с контуром дополнительного двигателя Стирлинга 3, в состав которого входят: поршневая группа 16, нагреватель 17, регенератор 18, холодильник 19.

Разомкнутый контур с криоагентом 4, включающий теплоизолированную емкость с жидким кислородом 20, насос 21, детандер 25, систему трубопроводов 22 с запорно-регулирующей арматурой 23, 24, соединен с контурами двигателей 1, 3 через холодильники 9, 19 соответственно. После детандера 25 газообразный окислитель поступает в камеру сгорания 7 по газоходу 26.

Анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга работает следующим образом.

Для начала работы предусмотрена система предварительного пуска двигателей Стирлинга 1, 3 (на фиг. 1 не показана). После пуска отработавшие газы из камеры сгорания 7 поступают по газоходу 14 в реактор 10, куда из бункера 11 одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В реакторе 10 происходит обработка газов по реакции типа: 2Mg + CO₂+ H₂O _→ 2MgO + CO + H₂+ Q, с выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000 15000 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Более того, образовавшаяся в реакции смесь окиси углерода (CO) и водорода (H₂), представляет собой так называемый "синтез-газ", который может использоваться в качестве топлива тепловых машин. Твердые продукты реакции собираются в накопителе 12, а газообразные, через сепаратор 13, поступают по газоходу 15 в нагреватель 17 дополнительного двигателя Стирлинга 3, срабатывают часть термодинамического потенциала, отдавая тепло рабочему телу двигателя 3 и затем поступают в камеру сгорания 7, куда подается газообразный кислород из разомкнутого контура с криоагентом 4. В камере сгорания 7 "синтез-газ" и кислород сгорают, а образовавшееся тепло передается рабочему телу двигателя 1.

Полученное тело рабочими телами двигателей Стирлинга 1, 3 преобразуется в возвратно-поступательное движение поршневых групп 9, 19, обеспечивающих совершение термодинамических цилиндров и получение полезной работы на валах двигателей (на фиг. не показаны) с помощью теплообменников 7, 8, 9 и 17, 18, 19 соответственно.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем в теплоизолированной емкости 20 запасается необходимое (расчетное) количество жидкого кислорода. С момента ограничения связи с атмосферой, жидкий кислород насосом 21 подается из емкости 20 по системе трубопроводов 22 и через запорно-регулирующую арматуру 23, 24 в холодильники 9, 19, где воспринимает тепло от рабочих тел двигателей 1, 3 в процессе сжатия, охлаждая их ниже значения температуры окружающей среды, тем самым повышая КПД двигателей 1, 3. За счет принятой теплоты жидкий кислород испаряется и перегревается. Перегретый газообразный кислород, с высоким давлением, образовавшимся при фазовом переходе, направляется в детандер 25, где расширяется с получением полезной работы, а затем кислород поступает в камеру сгорания 7 по газоходу 26 и используется в качестве окислителя.

Источники информации 1. Описание изобретения к патенту РФ N 2013588.

2. Чирков Ю.Г. Занимательно об энергетики. М. Молодая гвардия, 1981. - стр. 76.

3. Батырев А.Н. Кошеверов В.Д. Лейкин О.В. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С-Пб. Судостроение, 1994. стр. 217 прототип.

Формула изобретения

Анаэробная энергосиловая установка на основе двигателей Стирлинга, включающая двигатель Стирлинга, систему хранения жидкого окислителя, отличающаяся тем, что снабжена системой получения искусственной газовой смеси и дополнительным двигателем Стирлинга, работающим за счет термодинамического потенциала отработанных сред основного двигателя, при этом для охлаждения двигателей используется низкотемпературный окислитель.

РИСУНКИ

Рисунок 1