Анаэробная энергохолодильная система с дизелем замкнутого цикла для объектов, функционирующих без связи с атмосферой

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. Перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой в нем запасается щелочноземельный металл, криогенный окислитель, углекислый газ и газовая смесь азота, водорода и окиси углерода. Отработавшие газы дизеля поступают в реактор, где протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO и газовая N₂+Н₂+СО+Н₂O_пар+СО₂ фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе. Теплота химических реакций и твердой фазы частично передается рабочему телу газотурбинной установки замкнутого цикла через нагреватель. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал в генераторе абсорбционной холодильной машины. Рабочее тело замкнутой газотурбинной установки срабатывает термодинамический потенциал в турбине, приводя в действие компрессор и генерируя электрическую энергию в генераторе. Использование изобретения позволит повысить кпд системы за счет получении дополнительной электрической энергии и сокращения объемов хранилищ для теплоаккумулирующего вещества за счет получения дополнительного холода. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например для специальных фортификационных сооружений.

Известен способ организации рабочего процесса дизеля на водородном топливе, для повышения кпд дизеля и уменьшения концентрации вредных компонентов выхлопа, при котором водород непосредственно впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия под давлением 8 МПа с помощью специальной форсунки. Для воспламенения смеси служит керамическая калильная свеча с встроенным вольфрамовым электронагревателем. Электронагреватель включается на режимах пуска и прогрева дизеля, на остальных режимах свеча обеспечивает температуру 1170÷1270 К за счет выделяющегося при сгорании топлива тепла (Мищенко А.И. // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8÷10).

Известен процесс беспламенного каталитического окисления продуктов неполного сгорания (СО, СН) и конструкция каталитических нейтрализаторов окисления на основе Pt, Pd, Сu, Cr и др. (Новиков Л.А., Юрченко Э.Н., Шляхтов В. А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций // Двигателестроение, 1995, N 182, с. 72÷77).

Известно окисление щелочноземельного металла магния в кислороде, в сухом и влажном воздухе, в углекислом газе. Известен способ получения водорода в результате взаимодействия щелочноземельного металла магния с водяным паром по реакции Mg + Н₂О = МgО + Н₂ при температуре Т =425÷575^oС (Окисление металлов / Под. ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, с. 314÷327).

Известны химические свойства нитрида магния и реакции его взаимодействия с водяным паром, двуокисью и окисью углерода при высоких температурах (Самсонов Г В., Кулик О.П., Полищук В.С. Получение и методы анализа нитридов. - Киев: Наукова думка, 1978, с. 213÷214).

Известна схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины, включающей в себя генератор, абсорбер, конденсатор, испаритель, регенератор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в генераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) в холодильнике (Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.155÷166).

Однако для работы абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты.

Известна схема газотурбинной установки замкнутого цикла, включающей в себя нагреватель, турбину, компрессор, электрогенератор, регенератор, охладитель. (Нигматулии И. Н. ; Шляхин П.Н., Ценев В.А. Тепловые двигатели. Под ред. И. Н. Нитматулина. Учеб. Пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1974, с.177÷180).

Известна реакция поглощения диоксида углерода гидроксидом кальция: СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О. (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22 изд., испр. / Под ред Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982. - с.616).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов функционирующих без связи с атмосферой, представляющих собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем ППЦ служит для получения электрической энергии, а ПОЦ - для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОЦ от них необходимо отводить тепло (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой это низкопотенциальное тепло должно аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (TAB), в качестве которого выступает вода при температуре около +4^oС, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды аккумулировавшей тепло преобразователей.

Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение IIПЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление TAB, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы TAB составляют значительный процент от объема объекта в целом, что приводит к большой стоимости строительства объектов данного типа (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992. - 240 с.) Известны схемы газификационных устройств (газификаторов) для превращения сжиженных веществ в газообразное состояние (Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. проф. М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985. - с. 363-364).

Известна принципиальная схема энергохолодильной системы, содержащая дизельную энергоустановку замкнутого цикла на синтез-газе с машиной Вюлемье-Такониса, работа которой осуществляется за счет высокопотенциальной теплоты, полученной в реакторе в результате взаимодействия отработавших газов с щелочноземельным металлом, разомкнутый контур с криогенным окислителем (Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97 г.).

Однако работа дизеля на синтез-газе с внешнем смесеобразованием приводит к снижению кпд.

Известна энергетическая установка для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию водорода с реактором для генерации водорода, линию криогенного окислителя с испарителем-подогревателем и линию газообразного азота (Патент РФ N 2176054. Бюл N 32 от 20.11.2001 г.).

Однако в системе не используется высокотемпературная теплота продуктов реакции генерации водорода.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении кпд системы за счет получении дополнительной электрической энергии и сокращении объемов хранилищ TAB за счет получения дополнительного холода.

Для достижения данного технического результата анаэробная энергохолодильная система с дизелем замкнутого цикла для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, содержащий линию с реактором для генерации водородосодержащего топлива, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию криогенного окислителя с испарителем-подогревателем, снабжена теплоиспользующей холодильной машиной, выполненной в виде абсорбционной холодильной машины, газификатором высокого давления в линии криогенного окислителя, линией продувки цилиндров дизеля углекислым газом, линией с газообразной смесью азота, водорода и окиси углерода, замкнутым контуром газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенном в реакторе для генерации водородсодержащего топлива, дополнительной абсорбционной холодильной машиной, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, емкостью для горячего теплоаккумулирующего вещества, линией отвода теплоты от дизеля и абсорбционных холодильных машин, проходящей через абсорберы и конденсаторы холодильных машин.

Введение в состав анаэробной энергохоходильной системы с дизелем замкнутого цикла замкнутого контура газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенном к реакторе для генерации водородсодержащего топлива, а также дополнительной абсорбционной холодильной машины, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, позволяет получить новое свойство, заключающееся в повышении кпд системы за счет получения дополнительной энергии в замкнутой газотурбинной установки, а также генерацию холода в холодильных машинах за счет теплоты отработавших газов дизеля и замкнутой газотурбинной установки.

На чертеже изображена анаэробная энергохолодильная система с дизелем замкнутого цикла для объектов, функционирующих без связи с атмосферой.

Анаэробная энергохолодильная система и своем составе имеет замкнутый контур дизельной установки, состоящий из дизеля 1 каталитического нейтрализатора 2, реактора 3 с накопителем твердой фазы 4, бункером с щелочноземельный металлом (не показан) и сепаратором 5, после которого расположен генератор абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины 6, охладителя-конденсатора 7 с линией отвода конденсата 8, реактора (адсорбера) для поглощения двуокиси углерода из состава отработавших газов 9, компрессора 10, регулирующего вентиля 11, линию подачи криогенного окислителя, которая включает газификатор высокого давления 12, испаритель-подогреватель 13 и регулятор давления 14, линию продувки цилиндров дизеля углекислым газом, которая включает емкость для его хранения 15 и регулятор давления 16, линию подачи в цилиндры дизеля газовой смеси азота, водорода и окиси углерода, которая включает емкость для ее хранения 17 и регулятор давления 18, замкнутый контур газотурбинной установки с нагревателем 19, который расположен в реакторе генерации водородсодержащего топлива 3, турбиной 20, после которой расположен генератор абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины 21, работа которой осуществляется за счет теплоты отработавшего в цикле газотурбинной установки рабочего тела, охладителем 22, компрессором 23 и электрогенератором 24, линию отведения теплоты 37 от преобразователей прямого и обратного циклов, включающую емкость 25 для хранения холодного TAB, питательный насос 26, разделяющуюся на линию, проходящую через абсорбер 27, конденсатор 28, теплообменник 29, и линию, проходящую через абсорбер 30, конденсатор 31, а также емкость 32 для хранения горячего TAB. В испарителях 33 и 35 абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин генерируется холод, который передается по линиям 34 и 36 соответственно в систему кондиционирования воздуха сооружения.

Анаэробная энергохолодильная система с дизелем замкнутого цикла для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, работает следующим образом.

Предварительно перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой в нем запасается необходимое (расчетное) количество щелочноземельного металла, например магния, в бункере (не показан), криогенного окислителя а газификаторе высокого давления 12, углекислого газа в емкости 15, газовой смеси N₂ + Н₂ + СО в емкости 17. При переключении дизельной энергоустановки для работы без связи с атмосферой цилиндры дизеля 1 продуваются сжатым углекислым газом из емкости 15 через регулятор давления 16 и в них подается расчетное количество газовой смеси N₂ + Н₂ + СО из емкости 17 через регулятор давления 18. В конце такта сжатия в камеру сгорания (не показана) дизеля 1 подается газообразный кислород из газификатора высокого давления 12 через испаритель-подогреватель 13 и регулятор давления 14 с давлением, превышающим максимальное давление цикла. Образующаяся горючая смесь воспламеняется от калильной свечи зажигания, расположенной в камере сгорания дизеля 1 (не показана). Отработавшие газы дизеля 1, состоящие из азота, не прореагировавших водорода и окиси углерода, паров воды, двуокиси углерода, а также некоторого количества СО и СН, обусловленного выгоранием масла, попадающего в камеру сгорания, через каталитический нейтрализатор 2, в котором происходит окисление продуктов неполного сгорания в СО₂ и Н₂О_пар, поступают в реактор 3, куда из бункера (не показан) одновременно подается щелочноземельный металл, например магний. В реакторе 3 протекают реакции, в результате которых образуются твердая MgO и газовая N₂ + Н₂ + СО + Н₂О_пар + СО₂ фазы, и сопровождающиеся выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000÷1500 К) и повышения термодинамического потенциала газовой фазы. Твердая и газовая фазы разделяются в сепараторе 5. Теплота химических реакций и твердой фазы частично передается рабочему телу газотурбинной установки замкнутого цикла через нагреватель 19, расположенный в накопителе твердой фазы 4 и реакторе 3. Газовая фаза срабатывает свой термодинамический потенциал в генераторе 6 абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины, направляется в охладитель-конденсатор 7, в котором отработавшие газы охлаждаются, отдавая теплоту криогенному окислителю в испарителе-подогревателе 13, при этом водяной пар конденсируется и выводится из цикла по линии 8, и затем через реактор 9 с химическим поглотителем, в котором охлажденные отработавшие газы освобождаются от двуокиси углерода, компрессор 10 через запорно-регулирующий вентиль 11 подаются на впуск дизеля 1. При выходе дизельной энергоустановки на рабочий режим прекращается подача газовой смеси из емкости 17 путем закрытия вентиля 18, и дизель 1 продолжает функционировать по замкнутому циклу на рабочей смеси азота, водорода и окиси углерода.

Рабочее тело замкнутого контура газотурбинной установки срабатывает термодинамический потенциал в турбине 20, приводя в действие компрессор 23 и генерируя электрическую энергию в генераторе 24, проходит через генератор 21, отдавая теплоту рабочему телу абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины, охлаждается в охладителе 22, сжимается в компрессоре 23 и далее поступает в нагреватель 19. Теплоаккумулирующее вещество - вода из емкости 25 насосом 26 по линии отведения теплоты 37 от преобразователей прямого и обратного циклов, проходящей через абсорбер 27, конденсатор 28, теплообменник 29, и через абсорбер 30, конденсатор 31 поступает в емкость 32 для хранения горячего TAB. В испарителях 33 и 35 абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин генерируется холод, который передается по линиям 34 и 36 соответственно в систему кондиционирования воздуха сооружения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки 1. Мищенко А. И. Перспективы применения водорода и метанола в качестве моторных теплив // Автомобильная промышленность, 1986, N 11, с. 8÷10.

2. Новиков Л.А., Юрченко Э.Я., Шляхтов В.А. Создание установок очистки газов стационарных дизелей и испытательных станций // Двигателестроение, 1995, N 182 , с. 72÷77.

3. Окисление металлов / Под. ред. Ж. Бенара. - М.: Металлургия, 1969. - Т. 2, C.314÷327.

4. Самсонов Г.В., Кулик О., П., Полищук B.C. Получение и методы анализа нитридов. - Kиев: Наукова думка, 1978, с. 213÷214.

5. Холодильные машины. Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982 с. 155÷166.

6. Нигматулин И.Н., Шляхин П.Н., Ценев В.А. Тепловые двигатели. Под ред. И. Н Нигматулина. Учеб. пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1974, с. 177÷180.

7. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр./Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982, с. 616.

8. Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теории и методы расчетов автономных энергохолодильных установок М.: Изд. МЭИ, 1992, 240 с.

9 Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред проф М.П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985. с. 363÷364.

10. Патент РФ N 2088864. Бюл. N 24 от 27.08.97г.

11. Патент РФ N 2176054. Бюл. N 32 от 20.11.2001г. - прототип.

Формула изобретения

Анаэробная энергохолодильная система с дизелем замкнутого цикла для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя замкнутый контур дизельной установки, содержащий линию с реактором для генерации водородосодержащего топлива, теплоиспользующую холодильную машину, через генератор которой проходит контур дизельной установки, линию криогенного окислителя с испарителем-подогревателем, отличающаяся тем, что теплоиспользующая холодильная машина выполнена в виде абсорбционной холодильной машины, а система снабжена газификатором высокого давления в линии криогенного окислителя, линией продувки цилиндров дизеля углекислым газом, линией с газообразной смесью азота, водорода и окиси углерода, замкнутым контуром газотурбинной установки с электрогенератором на одном валу и нагревателем, расположенным в реакторе для генерации водородсодержащего топлива, дополнительной абсорбционной холодильной машиной, через генератор которой проходит замкнутый контур газотурбинной установки, емкостью для горячего теплоаккумулирующего вещества, линией отвода теплоты от дизеля и абсорбционных холодильных машин, проходящей через абсорберы и конденсаторы холодильных машин.

РИСУНКИ

Рисунок 1