Экологически чистая энергетическая установка на основе камеры детонационного горения


 


Владельцы патента RU 2564658:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области энергетики и двигателестроения и предназначено в качестве энергоустановки для генерации тепловой и электрической энергии. Установка содержит детонационную камеру бескислородного разложения ацетилена на газообразный водород и углерод в виде наночастиц, которая соединена с сепаратором для отделения углерода. В результате сгорания водорода в соответствующей детонационной камере образуется тепловая и кинетическая энергия струи пара для вращения турбины электрогенератора. Устройство может использоваться также в качестве анаэробной энергетической установки, производящей тепловую энергию, наночастицы углерода и водород для применения последнего в электрохимических генераторах. Использование изобретения позволяет полностью исключить выбросы углекислого газа в атмосферу при работе энергетической установки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики и двигателестроения и предназначено для работы в качестве энергоустановки для генерации энергии и тепла в наземных условиях. Кроме того, заявленная энергоустановка может функционировать без связи с атмосферой в составе глубоководных аппаратов, подводных лодок и космических кораблей.

Известны способы использования процесса бескислородного разложения ацетилена для синтеза технического углерода, но не для производства энергии или тяги.

Известен способ получения технического углерода в кольцевом реакторе периодического действия. Волну детонации инициируют добавкой кислородо-водородной смеси в зону поджига. Продукты однократного импульсного синтеза выводят продувкой сжатым воздухом (Патент РФ 2325413 С1 от 27.05.2008).

Известен способ получения нанодисперсного углерода и устройство для его реализации, основанный на приготовлении смеси, включающей ацетилен и/или керосин, впуске смеси в детонационную камеру двумя потоками с различным коэффициентом избытка окислителя, ее периодической детонации с частотой 100-2000 Гц и последующим охлаждением продуктов детонации. Устройство включает в себя корпус с детонационной камерой, сопло и инициатор детонации (Заявка на Патент РФ 2009115973/05 от 28.04.2009).

Известна полезная модель модифицированного реактора синтеза углеродных наноструктур с использованием активированного водорода, отличающаяся тем, что для возбуждения волны горения вводится дополнительная система электродов, которая позволяет использовать для осаждения углеродного депозита волну бескислородного горения ацетилена (Патент РФ №93380 U1 от 27.04.2010).

Недостатком вышеперечисленных способов и устройств является то, что энергия и водород, выделяющиеся при бескислородной детонации ацетилена, никак не используются.

Примером устройства использующего энергию детонации для создания тяги может служить пульсирующий детонационный двигатель (Патент СССР №1672933 от 22.04.91 г).

В работе [Применение пульсирующих двигателей с детонационным горением в секретных летательных аппаратах, БИНТИ - 1, "Авиация и космос", № 8 от 25.02.92 г.] описан пульсирующий двигатель детонационного горения с детонационной камерой. Двигатель имеет плоскую или специальной формы переднюю стенку и цилиндрические боковые стенки, а задний ее конец открыт и снабжен соплом типа сопла ракетного двигателя. Камера снабжена также устройством, инициирующим детонацию горючей смеси.

Известен пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который содержит входное устройство с детонационной камерой, насадок к нему и систему подачи продуктов газогенерации. Одновременно с поступлением сверхзвукового потока воздуха через проточный канал входного устройства в детонационную камеру подаются продукты газогенерации с избытком горючего. Тяга создается при расширении продуктов детонационного горения в импульсном режиме (Патент РФ №2059852 С1 от 10.05.1996).

Недостатком данных двигателей является то, что тепло, выделяемое при работе этих устройств, никак не используется, а рабочий процесс зависит от подачи окислителя (воздуха). При этом данные устройства выбрасывают в атмосферу углекислый газ.

Известны наземные энергоустановки, использующие продукты импульсного детонационного горения топлива с воздухом для генерации электроэнергии при помощи турбины.

Известна установка на основе пульсирующего детонационного двигателя для вращения турбины. Установка включает детонационную камеру с системой подачи горючего и окислителя через заданные интервалы времени, систему инициирования детонации и турбину, приводящуюся в движение энергией, возникающей при детонации газовой смеси (Патент US 7367194 06.05.2008).

Известна наземная установка на основе импульсной детонационной камеры сгорания для производства энергии. Установка включает как минимум два компрессора, детонационную камеру и турбину. Система охлаждения детонационной камеры устроена таким образом, что тепло, выделяющееся от нагретых стенок, используется для нагрева поступающих в детонационную камеру окислителя и горючего (Патент US 7721523 25.05.2010).

Недостатками данных устройств является зависимость от подачи окислителя (воздуха) в камеру сгорания, а также то, что данные устройства выбрасывают в атмосферу углекислый газ.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемой импульсной детонационной энергетической установке является принятый за прототип наземный гибридный двигатель на основе импульсной детонационной камеры для генерации энергии (заявка на Патент US 2010/0192536 А1 05.08.2010). Двигатель включает компрессор, систему выравнивания давления для предотвращения запирания компрессора, систему подачи горючего, блок камер для организации пульсирующей детонации, сопловой блок для подачи горячих продуктов детонации на турбины, турбину высокого давления и турбину низкого давления.

Признаками, отличающими заявленное изобретение от известного прототипа, являются наличие детонационной камеры с магистралью подачи горючего (ацетилена), сепаратор углеродных наночастиц, вторая детонационная камера для сжигания чистого водорода, полученного в процессе бескислородной детонации ацетилена, которые позволяют избавиться от выброса углекислого газа в атмосферу при работе энергоустановки и дополнительно получать мелкодисперсный технический углерод.

Задачей заявленного изобретения является предотвращение выбросов углекислого газа при производстве энергии из углеводородного топлива. При этом технический результат достигается путем бескислородного разложения ацетилена в пульсирующем детонационном режиме.

Принцип действия энергетической установки основан на саморазложении ацетилена на водород и мелкодисперсный технический углерод с выделением тепловой энергии в пульсирующем детонационном режиме, сепарировании мелкодисперсного технического углерода, детонационном сжигании водорода с получением тепловой и кинетической энергии струи пара для вращения турбины генератора электроэнергии. Устройство может использоваться как в качестве тепловой машины, так и для получения электроэнергии. В случае отсутствия второй детонационной камеры сжигания водорода и турбины электрогенератора заявленное устройство может использоваться в качестве анаэробной энергетической установки, производящей тепловую энергию и водород для использования его в качестве горючего для электрохимических генераторов (топливных элементов).

Энергетический эффект установки по сравнению со схемой сжигания ацетилена в воздухе достигается за счет конверсии топлива в водород и мелкодисперсный углерод с выделением тепловой энергии и последующего детонационного сжигания водорода. Предотвращением сжигания мелкодисперсного углерода в установке достигается исключение выбросов СО2 в атмосферу и получение ценного для химической промышленности нанодисперсного (30-40 нм) технического углерода (стабилизатор полимеров, порошок для печатающих устройств, красок и пластмасс, наполнитель для резины).

Сравним энергетику обычного сгорания стехиометрической смеси ацетилена с воздухом с энерговыделением при комплексном цикле в предлагаемой установке.

Для создания стехиометрической смеси ацетилена с воздухом требуется 2.5 молекулы кислорода на каждую молекулу ацетилена. Таким образом, энергия, выделяемая при сгорании ацетилена (1260 кДж/моль), в большой мере расходуется на разогрев всей смеси, содержание ацетилена в которой составляет всего 7.75%:

С2Н2+2.5(O2+3.76 N2)→2СO22O(газ)+9.4 N2+105 КДж/моль (на смесь)

В заявленной установке предлагается проводить детонационное саморазложение ацетилена, известное из литературы (Б.А. Иванов, Физика взрыва ацетилена, М.: Изд. Химия, 1969; V.I. Babushok, A.W. Miziolek, Condensation flame of acetylene decomposition, Combustion and flame, V. 136, 2004, P.141-145; A.B. Емельянов, A.B. Еремин, B.E. Фортов, Формирование детонационной волны при термическом разложении ацетилена, Письма в ЖЭТФ, Т. 92, №2, 2010, С.101-105; А.В. Емельянов, А.В. Еремин, В.Е. Фортов, Формирование детонационной волны при химической конденсации углеродных наночастиц, Инженерно-физический журнал, Т.83, №6, 2010, С.1130-1141).

С2Н2→2С(газ)+Н2(газ)-1213 кДж/моль,

в результате чего образуется сильно пересыщенный пар углерода, который очень быстро конденсируется с выделением большого количества энергии:

2С(газ)→2С(графит)+2×720 кДж/моль+1440 кДж/моль.

Таким образом, даже на этом этапе работы установки выделяется энергия в количестве 227 кДж/моль, не только поддерживающая детонационную волну, но и образующая высокотемпературные (около 2500 К) горючие продукты - водород и углеродные наночастицы - сажу.

Дальнейший цикл работы установки предусматривает отделение углеродных наночастиц от водорода и сжигание последнего с дополнительным выделением энергии:

Н2+0.5 (O2+3.76 N2)→Н2O(газ)+1.88N2+144 кДж/моль (на смесь).

Таким образом, суммарный энергетический выход предлагаемой установки составит

144+1440-1213=371 кДж/моль,

что более чем в 3.5 раза превышает энергетический выход обычного сгорания ацетилена (105 кДж/моль). При этом отсутствует выхлоп СО2 и появляется большое количество ценного продукта - сажи, используемой в различных отраслях промышленности.

В ряде случаев (например, для использования устройства как анаэробной энергоустановки) ацетилен может быть получен при помощи водо-карбидного генератора по реакции:

СаС22O→С2Н2+Са(ОН)2+129 кДж/моль

При этом из 1 кг карбида получают 205-372 л ацетилена в зависимости от условий процесса. Производство самого же карбида происходит на основе реакции:

СаО+3С→СаС2+СО-452,5 КДж/моль

Стоимость 1 кг карбида на рынке составляет около 20-25 руб за кг.

Другим источником ацетилена может быть плазмохимический пиролиз сырой нефти в плазменной струе водорода, который приводит к выходу 85-92% ацетилена в смеси с этиленом, содержание которого не превышает 10% от ацетилена. При этом затраты на 1 кг суммы ацетилена и этилена равны 4-4.4 кВт/ч [Л.С. Полак, Плазмохимические процессы в нефтехимии, Вестник РАН, №3 1972, С. 26].

Работа устройства как наземной энергетической установки осуществляется следующим способом. Ацетилен из баллона или ацетиленового генератора по магистрали подается в первую детонационную камеру. На магистрали установлен водяной затвор для предотвращения проникновения волны детонации ацетилена в баллон или газогенератор. Открытие и запирание магистрали осуществляется в режиме газодинамического клапана при помощи пульсаций давления в детонационной камере, возникающих при прохождении детонационной волны. Газодинамический клапан (главный параметр - отношение диаметра подводящей магистрали к диаметру детонационной камеры) рассчитывается исходя из давления на стенку детонационной камеры и давления потока ацетилена на входе в нее. Первая детонационная камера снабжена инициатором прямой детонации ацетилена, расположенным у заднего открытого конца. Инициация производится периодически при заполнении камеры новой порцией ацетилена. При этом возникшая детонационная волна движется к закрытому торцу, оставляя за собой горячие продукты детонации - водород и мелкодисперсный углерод, которые расширяются по направлению к сепаратору. В сепараторе углеродные наночастицы отделяются от газообразного водорода и поступают в бункер. Водород подается во вторую детонационную камеру, увлекаемый струей воздуха, эжектируемого в камеру при помощи компрессора. Магистраль эжектирования окислителя открывается и закрывается при помощи газодинамического клапана. По длине камеры происходит смешение воздуха и водорода. При помощи второго инициатора детонации, расположенного у конца второй камеры, периодически формируется детонационная волна, движущаяся к входу в камеру до места эжектирования воздуха. Выше по потоку детонационная волна затухает из-за отсутствия окислителя, поддерживающего химическую реакцию. Горячие продукты детонации водорода и воздуха (водяной пар и азот), расширяясь в сопле, поступают на вход в турбину электрогенератора, приводя ее во вращение. Нагреваемые в процессе работы стенки детонационных камер, генератор ацетилена, сепаратор, бункер и выхлоп турбины снабжены теплообменниками, в которых нагревается теплоноситель для дальнейшей утилизации полученного тепла.

В случае анаэробного варианта энергетической установки отсутствует вторая детонационная камера сжигания водорода и турбина. Энергоустановка работает в режиме генерации тепловой энергии, мелкодисперсного углерода и водорода с использованием последнего в качестве горючего для электрохимических генераторов (топливных элементов) при детонационном разложении ацетилена в первой детонационной камере.

Изобретение поясняется схемой, где представлен общий вид заявленного устройства. Импульсная детонационная энергетическая установка содержит выполненные в виде отдельных модулей: теплообменники - 1; баллон или генератор ацетилена - 2; магистраль подачи ацетилена - 3, водяной затвор - 4; детонационную камеру для бескислородного разложения ацетилена - 5; инициатор детонации ацетилена - 6; сепаратор углеродных наночастиц - 7; компрессор - 8; магистраль подачи воздуха - 9; детонационную камеру сгорания водорода - 10; инициатор детонации водорода с воздухом - 11; сопловой блок - 12; турбину - 13; сопло турбины - 14; переходник от сепаратора к бункеру для углеродных наночастиц - 15; бункер для сбора углеродных наночастиц - 16.

Энергетическая установка, содержащая компрессор, систему подачи топлива и детонационную камеру сгорания водорода, соединенную посредством соплового блока с турбиной электрогенератора, отличающаяся тем, что она снабжена соединенными между собой детонационной камерой для бескислородного разложения ацетилена на газообразный водород и углерод в виде наночастиц и сепаратором для отделения углеродных наночастиц от газообразного водорода, при этом упомянутая детонационная камера для разложения ацетилена соединена с системой подачи топлива, а упомянутый сепаратор соединен с детонационной камерой сгорания водорода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка с пароприводным дозатором-компрессором газового топлива содержит газотурбинный двигатель с камерой сгорания и регулирующим клапаном по топливу, турбогенератор, энергетическую паровую турбину, установленную на валу турбогенератора, котел-утилизатор с паровыми контурами одного или более давлений, систему трубопроводов газа, пара и воды с регулирующей и запорной арматурой, причём установка также содержит компенсационную турбину, установленную на одном валу с приводной паровой турбиной и дозатором-компрессором в общем герметичном корпусе со стороны дозатора-компрессора.

Изобретение относится к энергетике. Теплофикационная газотурбинная установка, содержащая компрессор, соединенный последовательно с камерой сгорания, газовой турбиной и электрогенератором, к выхлопу газовой турбины подключен паровой котел-утилизатор, соединенный по пару с тепловым потребителем, причем она дополнительно содержит паровую турбину с конденсатором, соединенную через эластичную гидромуфту с валом компрессора, при этом выход котла-утилизатора соединен с входом паровой турбины паропроводом, на входе в котел-утилизатор установлена камера дожигания.

Устройство экономного производства электроэнергии и тепла состоит из котельной, воздушно-турбинного двигателя, радиаторов. Выход из заборника атмосферного воздуха (3) связан с входом в воздушно-газовый радиатор (4), выход из которого связан с входом в воздушный компрессор воздушно-турбинного двигателя (5), выход из которого связан с входом в воздушно-газовый радиатор (6), выход из которого связан с входом в воздушную турбину воздушно-турбинного двигателя (7), выход из которой связан с входом в поддувало котельной (1).

Система генерирования мощности с комбинированным циклом содержит паротурбинную систему, газотурбинную систему, включающую в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину; парогенератор с регенерацией тепла, проточную линию.

Когенерационная газотурбинная энергетическая установка содержит компрессоры низкого и высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство и основной электрический генератор, подсоединенный к газовой турбине высокого давления и используемый в качестве полезной нагрузки.

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка содержит газотурбинную установку, котел-утилизатор, паротурбинную установку, сбросный газоход, дымовую трубу, соединительные трубопроводы, внешний газоход, подключенные к внешнему газоходу горелочное устройство и пароперегреватель.

Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, содержит корпус, вал для передачи крутящего момента, ротор.

Изобретение относится к энергетике. Система генерации электроэнергии с комбинированным циклом, содержащая внешний байпасный контур управления запуском с регулирующим клапаном для паровой турбины, облегчающий работу энергетической установки при максимальном давлении.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и энергосбережения, предназначено для одновременной выработки электрической, тепловой энергий и низкотемпературного носителя.

Изобретение относится к процессу метанирования, в частности к рекуперации тепла в процессе, включающем реакцию метанирования и объединенном с процессом газификации угля.

Изобретение относится к энергетике и газотурбинным силовым и энергетическим установкам. .

Двигатель // 2285138
Изобретение относится к машиностроению и может быть применено на транспортных средствах и других объектах. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с необъемным вытеснением. .

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к газотурбинным установкам, в которых рабочее тело генерируется при прерывистом сгорании.

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к газотурбостроению и может быть использовано в авиационных силовых установках, в частности ТРД и ТРДД. .

Изобретение относится к энергетическим установкам, а именно к пульсирующим газогенераторам, работающим на жидких компонентах топлива. .

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к двухкамерным пульсирующим газогенераторам. .

Способ эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции, содержащей компрессорную установку и турбинную установку, заключается в том, что полезную работу отбирает по меньшей мере одно устройство, имеющееся в станции, при котором производят топочные газы камерой сгорания, установленной перед турбинной установкой. Воду и/или пар впрыскивают путем теплообмена с потоком горячего газа после турбинной установки и/или в канале компрессора. Воду и/или пар направляют в газовый поток перед камерой сгорания и/или в камеру сгорания в таких количествах, чтобы по меньшей мере 80% кислорода, содержащегося в воздухе в данном потоке, потреблялось при сгорании в камере сгорания. Теплоноситель, используемый в нагревательном устройстве, нагревают теплотой, отобранной конденсатором топочного газа, расположенным в потоке топочного газа после турбинной установки. Поток топливного газа после турбинной установки дополняют топочными газами из дополнительной камеры сгорания. Кислород для сгорания для этой дополнительной камеры сгорания подают из увлажнителя входного воздуха. Воду и теплоту отбирают из потока топочного газа после конденсатора топочного газа с помощью дополнительного конденсатора, в результате чего поток топочного газа дополнительно осушают, а воду и теплоту, отобранную из этого потока, направляют в воздух, поступающий в компрессорную установку, посредством увлажнителя входного воздуха. Изобретение направлено на повышение эффективности эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх