Анаэробная энергоустановка с двигателем стирлинга для подводной лодки

 

Изобретение относится к энергетике и двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок. Достигаемый технический результат - повышение надежности работы камеры сгорания двигателя Стирлинга, уменьшение массогабаритных характеристик установки и снижение стоимости эксплуатации подводной лодки в целом. Энергоустановка содержит двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкости с криогенным горючим и криогенным кислородом, экономайзер, холодильный блок, через который проходит контур охлаждения двигателя. Установка снабжена теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратором, расположенным на линии отработанных газов, а также эжектором, расположенным на магистрали окислителя между экономайзером и холодильным блоком. Линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, сепаратор и подсоединена к магистрали окислителя через эжектор, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. 1 ил.

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, 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).

Известно устройство и принцип работы газового эжектора, предназначенного для смешения и перемещения двух разнородных газовых сред (Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. М.: "Высшая школа", 1986, - стр. 104-105).

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, стр. 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 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 осуществлении изобретения, заключается в повышении надежности работы камеры сгорания двигателя Стирлинга, уменьшении массогабаритных характеристик установки и снижении стоимости эксплуатации подводной лодки в целом.

Для достижения этого технического результата 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, снабжена теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратором, расположенным на линии отработанных газов, а также эжектором, расположенным на магистрали окислителя между экономайзером и холодильным блоком, при этом линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, сепаратор и подсоединена к магистрали окислителя через эжектор, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

Введение в состав анаэробной энергоустановки с двигателем Стирлинга в линии отработанных газов теплообменника- охладителя сепаратора, а в линии окислителя (кислорода) эжектора, через который линия отработанных газов подсоединена к линии окислителя, а также использование в качестве криогенного горючего сжиженного природного газа позволяет получить новое свойство, заключающееся в снижении температуры горения топлива в камере сгорания двигателя Стирлинга за счет подвода части отработанных газов, что приводит к увеличению надежности работы камеры сгорания двигателя Стирлинга, а также в возможности утилизации и хранения продуктов сгорания углеводородного топлива внутри подводной лодки и значительном снижении эксплутационных затрат на использование и хранение криогенного топлива за счет применения более дешевого горючего - СПГ.

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

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, эжектор 17, экономайзер 9 и содержащей насос 18. Сжиженный природный газ из емкости 5 поступает в камеру сгорания 14 по магистрали 7, проходящей через холодильный блок 8, экономайзер 9 и содержащей насос 19. Линия отработанных газов 11 содержит сепаратор 20, размещенный после теплообменника-охладителя 10, и подсоединена к линии кислорода 6 через эжектор 17.

Анаэробная энергоустановка 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 14 подается избыточный кислород по сравнению с его количеством, которое определяется стехиометрическим соотношением.

В камере сгорания 14 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 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 18 и 19 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 20, где из них отделяется Н₂О, а оставшийся кислород и СО₂ из отработанных газов поступают в эжектор 17, где смешиваются с кислородом из магистрали 6, после чего эта смесь поступает через экономайзер 9 в камеру сгорания 14. Подмешивание части отработанных газов в новую порцию кислорода, с одной стороны, позволяет снизить температуру горения топлива, а следовательно, увеличить надежность и долговечность работы камеры сгорания 14, а с другой стороны, утилизировать отработанные газы внутри подводной лодки. Забортная вода в подводную лодку подается по магистрали 12 с помощью насоса 13.

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

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

3. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. М: "Высшая школа", 1986 - стр. 104-105.

4. Г.Ридер., Ч.Хупер Двигатели Стирлинга. М.: Изд. "Мир", 1986, стр. 55.

5. 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.

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-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратором, расположенным на линии отработанных газов, а также эжектором, расположенным на магистрали окислителя между экономайзером и холодильным блоком, при этом линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, сепаратор и подсоединена к магистрали окислителя через эжектор, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

РИСУНКИ

Рисунок 1