Анаэробная энергоустановка на основе двигателя стирлинга для подводных технических средств

 

Изобретение относится к области энергетики и двигателей 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, уменьшение массогабаритных характеристик установки, а также снижение взрыво- пожаробезопасности и стоимости эксплуатации подводных технических средств. 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 барботажной камерой, парогенератором, линией водяного пара, выходящей из газовой части парогенератора и подсоединенной к магистрали окислителя с помощью эжектора. Барботажная камера подсоединена к магистрали забортной воды и связана с забортным пространством напорной линией с насосом, магистраль забортной воды снабжена сбросным отводом с регулирующим вентилем, емкости с криогенными компонентами топлива расположены вне внутреннего пространства подводного технического средства, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики и двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для подводных технических средств, функционирующих без связи с атмосферой, например подводных лодок, глубоководных аппаратов и т.д.

Известно, что природный газ является наиболее перспективным моторным топливом, поскольку он значительно дешевле дизельного топлива и бензина. 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, что подача водяного пара в количестве от 2 до 16% от количества воздуха в камеру сгорания газовых турбин позволяет снизить расход топлива и уменьшить концентрацию вредных веществ в отработанных газах при сохранении установленной мощности (Пелевин В. К., Смирнова А.Н. Изменение характеристик корабельного ГТД при впрыске водяного пара или воды в камеру сгорания. //Труды международной НТК "Военно-морской флот и судостроение в современных условиях", Санкт-Петербург, 1996, стр. В1-13-11 - В1-13-8).

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).

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/ 01, 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, а также снижении взрыво- пожароопасности и стоимости эксплуатации подводных технических средств.

Для достижения этого технического результата анаэробная энергоустановка на основе двигателя Стирлинга для подводных технических средств, 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 барботажной камерой, частично заполненной забортной водой, к которой подсоединена линия отработанных газов, парогенератором, установленным на линии отработанных газов между экономайзером и двигателем, линией водяного пара, выходящей из газовой части парогенератора и подсоединенной к магистрали окислителя с помощью эжектора, расположенного на магистрали окислителя между экономайзером и двигателем, при этом барботажная камера подсоединена к магистрали забортной воды после аккумулятора холода и связана с забортным пространством напорной линией с насосом, магистраль забортной воды снабжена сбросным отводом с регулирующим вентилем, расположенным между аккумулятором холода и барботажной камерой, причем емкости с криогенными компонентами топлива расположены вне внутреннего пространства подводного технического средства, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

Введение в состав анаэробной энергоустановки на основе двигателя Стирлинга барботажной камеры с подсоединенной к ней линией отработанных газов, парогенератора на линии отработанных газов, эжектора в магистрали окислителя (кислорода), через который линия пара, выходящая из газовой части парогенератора, подсоединена к магистрали окислителя, а также размещение емкостей с криогенными компонентами топлива вне корпуса подводного технического средства и использование в качестве криогенного горючего сжиженного природного газа позволяет получить новое свойство, заключающееся в растворении отработанных газов в забортной воде с последующим ее удалением за борт, что обеспечивает утилизацию продуктов сгорания углеводородного топлива, генерации пара с последующим его впрыском в камеру сгорания двигателя Стирлинга, что позволяет снизить температуры внутри камеры сгорания и увеличить ее надежность, а также значительное снижение взрыво- пожароопасности и эксплутационных затрат за счет использования и хранение криогенного топлива состава "СПГ-кислород" вне внутреннего пространства подводного технического средства.

На чертеже изображена анаэробная энергоустановка на основе двигателя Стирлинга для подводных технических средств.

Анаэробная энергоустановка на основе двигателя 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, барботажной камеры 10, линии отработанных газов 11, магистрали подачи забортной воды 12 с насосом 13, проходящей через аккумулятор холода 3 и подсоединенной в барботажной камере 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, экономайзер 9, эжектор 17 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. На линии отработанных газов 11 расположен парогенератор 20, размещенный между экономайзером 9 и двигателем 1. Линия водяного пара 21 выходит из газовой части парогенератора 20 и подсоединяется к магистрали окислителя 6 через эжектор 17. Барботажная камера 10 снабжена напорной линией 22 с насосом 23. Магистраль заборной воды 12 снабжена между аккумулятором холода 3 и камерой 10 сбросным отводом 24 с регулирующим вентилем 25. Магистраль 12 имеет перед камерой 10 регулирующий вентиль 26.

Анаэробная энергоустановка на основе 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. В камере сгорания 14 происходит реакция горения СПГ и кислорода 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 к.п.д. 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. Перед экономайзером 9 установлен парогенератор 20, где происходит нагрев и испарение воды. Образовавшийся пар из газовой части парогенератора 20 по линии 21 подается через эжектор 17 в магистраль окислителя 6 непосредственно перед камерой сгорания 14. Это позволяет экономить топливо и увеличить надежность работы камеры сгорания 14. После экономайзера 9 отработанные газы поступают в барботажную камеру 10, где растворяются в воде. Забортная вода в подводную лодку подается по магистрали 12 с помощью насоса 13, проходит в аккумулятор 3, после чего частично поступает в камеру 10, а частично удаляется за борт по сбросному отводу 24. Для регулирования количества забортной воды, поступающей в камеру 10 и за борт, предусмотрены регулирующие вентили 25 и 26. Для удаления из барботажной камеры 10 смеси отработанных газов и забортной воды предусмотрена напорная линия 22 с насосом 23.

Источники информации 1. Чириков К.Ю., Пронин Е.Н. Перспективы применения СПГ на транспорте. //Газовая промышленность 10, 1999, - стр. 28-29.

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

3. Пелевин В.К., Смирнова А.Н. Изменение характеристик корабельного ГТД при впрыске водяного пара или воды в камеру сгорания.//Труды международной НТК "Военно-морской флот и судостроение в современных условиях", Санкт-Петербург, 1996, - стр. В1-13-11 - В1-13-8.

4. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга М., "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 на основе двигателя Стирлинга для подводных технических средств, 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 барботажной камерой, частично заполненной забортной водой, к которой подсоединена линия отработанных газов, парогенератором, установленным на линии отработанных газов между экономайзером и двигателем, линией водяного пара, выходящей из газовой части парогенератора и подсоединенной к магистрали окислителя с помощью эжектора, расположенного на магистрали окислителя между экономайзером и двигателем, при этом барботажная камера подсоединена к магистрали забортной воды после аккумулятора холода и связана с забортным пространством напорной линией с насосом, магистраль забортной воды снабжена сбросным отводом с регулирующим вентилем, расположенным между аккумулятором холода и барботажной камерой, причем емкости с криогенными компонентами топлива расположены вне внутреннего пространства подводного технического средства, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ.

РИСУНКИ

Рисунок 1