Способ получения искусственной газовой смеси силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, работающим по замкнутому циклу

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к дизелестроению и может быть использовано при организации работы дизелей на искусственной газовой смеси (ИГС). Существенным отличием данного способа является то, что поток отработавших газов (ОГ) двигателя разделяют на две регулируемые части, одну из которых после предварительного регулируемого орошения водой направляют в турбулентном потоке параллельно поверхности прессованного таблетированного поглотителя, очищают от твердых частиц, а также капельной влаги и подают далее на смешение со второй частью потока ОГ. Образованная таким образом ИГС охлаждается до температуры 60 - 80°С с одновременным удалением капельной влаги в охладителе-сепараторе, после чего подается на впуск ДВС. Предложенная конструкция исключает рост аэродинамических сопротивлений, а также позволяет одновременно количественно регулировать концентрации O₂ и СО₂ при обработке ОГ в одной реакционной зоне (аппарате) без механической транспортировки твердого поглотителя. Благодаря отсутствию механически движущихся частей повышается надежность, устойчивость и управляемость процессов поглощения СО₂ и выделения O₂ в ИГС. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано при организации работы дизелей на искусственной газовой смеси (ИГС).

Известен способ получения ИГС, описанный в [1]. По данному способу отработавшие газы подают через слой гранулированного кислородосодержащего продукта. При этом в одном аппарате происходят реакции поглощения CO₂ из состава ОГ, а также выделение кислорода.

Основными недостатками данного технического решения являются малая надежность и экономичность, обусловленные оплавлением гранул в результате реакции с парами воды и вследствие этого ростом аэродинамических сопротивлений, а также снижением проходных сечений для потока газов. При этом, поскольку твердые продукты реакции с поверхности гранул практически не отводятся, достаточно затруднено проникновение зоны реакции внутрь гранул.

Целью предполагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности приготовления ИГС.

Поставленная цель достигается тем, что поток отработавших газов (ОГ) двигателя на две регулируемые части, одну из которых после предварительного регулируемого орошения водой направляют в турбулентном потоке параллельно поверхности прессованного (таблетированного) поглотителя, очищают от твердых частиц, а также капельной влаги и подают далее на смешение со второй частью потока ОГ.

На рисунке представлено устройство, реализующее заявленный способ приготовления ИГС. Устройство включает в себя собственно двигатель 1, являющийся источником ОГ и потребителем ИГС, смесители газовых потоков 2 и 4, нейтрализатор ОГ со встроенным сепаратором твердых частиц и капельной влаги 3, охладитель-конденсатор влаги 5, регулятор подачи воды на орошение 6, регулятор перепуска ОГ помимо нейтрализатора 7.

Устройство работает следующим образом. Высокотемпературные ОГ посредством регулятора перепуска 7 разделяются на две части. Первая часть потока после предварительного орошения водой с помощью регулятора 6 в смесителе 2 проходит через нейтрализатор 3 и далее смешивается снова со второй частью потока ОГ. Образованная таким образом ИГС охлаждается до температуры 60^oC80^oC с одновременным удалением капельной влаги в охладителе-сепараторе 5, после чего подается на впуск ДВС.

Согласно заявленному способу нейтрализатор 3 выполнен таким образом, что турбулентный поток увлажненных отработавших газов проходит вдоль поверхности прессованного (таблетированного поглотителя. В качестве поглотителя такого рода в дизельных энергоустановках наибольшее распространение получили надперекиси щелочных металлов и, в частности, надперикись натрия. Реакция взаимодействия надперекиси натрия увлажненными ОГ может быть описана следующим соотношениями: CO₂+ 2NaOH ‗‗ Na₂CO₃+ H₂O (2) Таким образом, при взаимодействии ОГ с поглотителем одновременно выделяется O₂ и поглощается CO₂. Как было показано ранее, подача ОГ через слой поглотителя /5/ неэффективна, так как сопровождается оплавлением гранул и резким ростом аэродинамических сопротивления. Пропускание ОГ через всевдоожиженный (взвешенный) слой поглотителя /4,6/ также, как показывает практика, неэффективно ввиду спекания частиц при высокой температуре, трудностей проникновения зоны реакции внутрь частиц, а также подачи и удаления гранул из реакционной зоны. По сравнению с рассмотренными предлагаемый способ взаимодействия ОГ с поглотителем более эффективен в силу следующего ряда обстоятельств.

1. Поток ОГ направляется вдоль поверхности поглотителя, что исключает рост аэродинамических сопротивлений.

2. Турбулизация потоков ОГ и развитая поверхность массообмена в сочетании с достаточным количеством воды в ОГ позволяет интенсивно проводить процесс обработки ОГ. При этом весьма важно, что интенсивность проведения реакции 1 и 2 может регулироваться путем изменения количества паров воды в ОГ посредством регулятора 6. Таким образом, компенсируются изменения в режимах работы ДВС (внешнее возмущение), вызванные изменением нагрузки и частоты вращения, а также нейтрализатора 3 (внутреннее возмущение), вызванное расходованием поглотителя.

3. При испарении воды в смесителе 2 происходит одновременное охлаждение ОГ, таким образом температурный режим работы нейтрализатора по сравнению с прототипом более стабильный и благоприятный, исключающий спекание частиц и неконтролируемое термическое разложение поглотителя.

4. Отмеченное ранее оплавление поглотителя в присутствии паров воды в отличие от аналогов в заявляемом техническом решении играет положительную роль, поскольку позволяет, во-первых, с высокой эффективностью обеспечить взаимодействия ОГ с поглотителем, а во-вторых, вывести побочные продукты (карбонаты) из зоны реакции.

В нейтрализаторе 3 используется прессованный (таблетированный) поглотитель, поэтому взаимодействия ОГ с ним происходит вдоль поверхности. В принципе возможно также использование гранулированного поглотителя, например по варианту 3 рисунка, однако эффективность и надежность в этом случае будет ниже.

Как было показано ранее, реакция взаимодействия ОГ с поглотителем идет постадийно. Сначала по реакции 1 выделяются O₂ и NaOH, затем по реакции 2 идет поглощение CO₂. Наличие избытка воды в ОГ вызывает оплавление поверхности с образованием кристаллогидратов и концентрированного раствора щелочи. Продукты первой стадии срываются с поверхности поглотителя потоком ОГ в виде пены (капель). Таким образом, вторая, наименее активная стадия проводиться в условиях весьма развитой межфазной поверхности по типу взаимодействия газ-жидкость. При этом одновременно удаляются с поверхности поглотителя продукты реакций. Условия удаления с поверхности поглотителя NaOH и Na₂CO₃ гарантированы возможностью практически неограниченного увеличения количества воды в потоке ОГ, отвод твердой и жидкой фаз из потока может быть выполнен в том же аппарате 3 гравитационными методами.

5. Различная реакция способности компонентов ОГ и поглотителя при их взаимодействии по уравнениям 1 и 2 делает практически невозможным полное решение на аппаратном уровне вопроса одновременного количественного регулирования по поглощению CO₂ и выделению O₂. В аналогах невозможно исключить случаи, когда хотя бы по одному из компонентов ИГС - CO₂ или O₂ параметры ИГС выйдут за пределы допустимого. Предлагаемое же техническое решение позволяет благодаря делению потока ОГ на две части регулятором 7 решить на уровне массопереноса вопрос одновременного регулирования количества CO₂ и O₂ в ИГС. Действительно, посредством регулятора 6 регулируется в первую очередь выход кислорода, поскольку реакционная способность поглотителя в аппарате 3 выше по реакции 1. В случае дисбаланса по выходу O₂ и поглощению CO₂ в нейтрализаторе 3, например увеличение концентрации CO₂ в ИГС с помощью регулятора 7, имеется возможность большую часть потока ОГ пустить в нейтрализатор 3, что интенсифицирует отрыв пленки NaOH с поверхности поглотителя и, как следствие, процесс поглощения CO₂ по реакции 2. Полная коррекция управления регуляторами 6 и 7, учитывающая связанность процессов регулирования CO₂ и O₂ в ИГС, может быть выполнена на уровне системы автоматического регулирования (САР) состава ИГС.

Заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обладает следующий совокупностью основных отличительных признаков: 1) регулируемое деление потока ОГ на две части; 2) регулируемое орошение части ОГ водой; 3) подача ОГ в нейтрализаторе параллельно поверхности прессованного (таблетированного) поглотителя.

Указанная совокупность отличительных признаков удовлетворяет критерию "существенные отличия", поскольку сообщает заявляемому способу ряд принципиально новых свойств: 1) возможность одновременного количественного регулирования концентрации O₂ и CO₂ при обработке ОГ в одной реакционной зоне (одном аппарате) без механической транспортировки твердого поглотителя; 2) исключение роста аэродинамических сопротивлений потоку ОГ при его взаимодействии с твердым поглотителем при отсутствии уноса непрореагировавшего поглотителя из зоны реакции в едином процессе обработки ОГ с выделением O₂ и поглощением CO₂.

Предлагаемый способ получения ИГС представляет собой следующую последовательность операций: 1) регулируемое разделение потока ОГ, выходящего из ДВС, на две части; 2) регулируемое орошение части ОГ водой; 3) подача увлажненной части ОГ параллельно поверхности пресованного (таблетированного) поглотителя; 4) удаление из увлажненной части ОГ твердых частиц и капельной влаги после взаимодействия с поглотителем; 5) смешивание частей ОГ в один поток; 6) охлаждение потока газов до температуры 60^oC80^oC одновременным удалением образовавшегося конденсата; 7) подача ИГС на выпуск ДВС.

Доказательством решения поставленной задачи является следующее: 1) повышается надежность приготовления ИГС за счет более стабильного режима и условий проведения реакций взаимодействия ОГ с поглотителем, более эффективного удаления продуктов из зоны реакции, отсутствия роста аэродинамических сопротивлений; 2) повышается устойчивость и управляемость процессов поглощения CO₂ и выделения O₂ за счет возможности одновременного количественного регулирования концентрации O₂ и CO₂ и ИГС; 3) улучшаются экономические показатели за счет более полного использования запаса поглотителя, отсутствие уноса непрореагировавшего поглотителя из зоны реакций.

Список использованных источников 1. АС СССР N 1663222 от 15.07.91 г.

Формула изобретения

Способ получения искусственной газовой смеси для силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, работающей по замкнутому циклу, заключается в том, что отходящие газы из двигателя вводят в непосредственный контакт с поглотителем, при этом происходит освобождение O₂ и поглощение CO₂ из отходящих газов, затем полученную газовую смесь охлаждают до 60 - 80^oC, отличающийся тем, что охлажденный поток отходящих газов разделяют на две регулируемые части, одну из которых после предварительного регулируемого орошения водой направляют в турбулентном потоке параллельно поверхности поглотителя, очищают от твердых частиц, а также капельной влаги, подают далее на смешение со второй частью потока отходящих газов, после чего подают в двигатель.

РИСУНКИ

Рисунок 1