Устройство для удаления углекислого газа

Изобретение относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Устройство для удаления углекислого газа включает последовательно установленные компрессор для создания рабочего давления с подводом отработанных газов, охладитель отработанных газов повышенного давления с входом и выходом забортной воды, влагоотделитель - адсорбер, блок конденсации углекислого газа и сепарации жидкого СО2 с двумя охлаждающими камерами, устройство понижения давления, соединенное со смесителем холодных потоков, а также емкости хранения жидкого СО2 и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом первая охлаждающая камера блока конденсации и сепарации, выполненная с входом для подвода жидкого кислорода, соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков, выход которого соединен со второй охлаждающей камерой блока конденсации и сепарации, выполненной с выходом для отвода газовой смеси из устройства, отличается тем, что устройство выполнено с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа и снабжено теплообменником-испарителем, который выполнен с входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства и установлен перед блоком конденсации и сепарации, который выполнен в виде трехкамерного конденсатора-сепаратора, охлаждаемая камера которого выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостью хранения жидкого CO2, при этом своим входом охлаждаемая камера соединена с теплообменником-испарителем, а выходом газообразной фазы через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков. Техническим результатом является уменьшение затрат полезной мощности и повышение кпд. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Изобретение может быть использовано в энергетических установках с различными тепловыми двигателями - поршневыми двигателями внутреннего сгорания, газотурбинными двигателями, двигателями с внешним подводом теплоты, работающими на углеводородном горючем. Изобретение может быть использовано также в установках конверсии углеводородного топлива для использования в водород-кислородных топливных элементах электрохимических генераторах энергетических установок.

Известна система очистки отработавших газов (пат JP №10-305211, опубл. 17.11.1998 г.) для использования на подводных транспортных средствах, оснащенных тепловым двигателем, которая включает коллектор отвода отработавших газов, охладитель-теплообменник для пропускания отводимых отработавших газов, газоохладитель - фазовый разделитель для конденсации и отделения пара от газовой смеси, и ожижитель отработавших газов для сжижения диоксида углерода, средства выведения сжиженных фракций компонентов отработавших газов - сжиженного пара и диоксида углерода, а также источник кислорода в виде емкости со средствами подачи его в двигатель для соединения с топливом. Сжиженные фракции под давлением, превосходящим давление внешней среды, удаляют через выпускное отверстие за борт.

Недостатком является негативное влияние на экологию вследствие удаления продуктов сгорания за борт. Искусственная газовая смесь не используется в системе, затраты кислорода возрастают, а мощность двигателя дополнительно расходуется на обеспечение работы насоса.

Известен контур удаления диоксида углерода и обогащения кислородом, связанный с источником кислорода (пат. RU №2287069, опубл. 10.11.2006 г.), который выполнен в виде набора холодильных испарителей для вымораживания диоксида углерода из отработавших газов, которые соединены с криогенной емкостью, а также с абсорбером продуктов очистки отработавших газов и через осушитель и газовый холодильник - со смесителем газовых потоков, который через упомянутый сепаратор-теплообменник соединен с впускным коллектором искусственной газовой смеси. Источником кислорода выбрана криогенная емкость, в которой размещен жидкий кислород. В контуре обеспечивают контактный теплообмен части отработавших газов с жидким кислородом с получением газообразного кислорода и вымораживанием фракций воды и диоксида углерода, отделяют и выводят твердые фракции воды и диоксида углерода.

Недостатком является использование для только дизельного двигателя, наличие дополнительных фазовых преобразований, в частности замораживание, и удаление продуктов сгорания за борт.

Известна система удаления продуктов сгорания (пат. RU №2070985, опубл. 27.12.1996), включающая компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с охлаждающей полостью и полостью продуктов сгорания, сепаратор с газовой полостью и полостью продуктов сгорания, льдогенератор, имеющий внутреннюю полость и газовую рубашку, шлюзовую камеру с входными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды, откачивающий насос, трубопровод. Система хранения и подачи окислителя содержит криогенную емкость хранения окислителя, криогенный насос, конденсатор второй ступени с кислородной полостью и полостью продуктов сгорания, морозильник до системы удаления с охлаждающей полостью и полостью продуктов сгорания, устройство понижения давления и трубопровод. Емкость хранения жидкого окислителя через последовательно соединенные между собой трубопроводом криогенный насос, кислородную полость конденсатора второй ступени, устройство понижения давления, охлаждающие полости конденсатора первой ступени и морозильника подключены к смесительной камере. Вход компрессора через газовую полость морозильника подключен к клапану регулирования рециркуляции. Входной канал для продуктов сгорания шлюзовой камеры через последовательно соединенные трубопроводом внутреннюю полость льдогенератора, полость продуктов сгорания сепаратора, полости продуктов сгорания конденсатора второй и первой ступеней, охладитель газов за компрессором подключен к выходу компрессора. Газовая рубашка льдогенератора подключена трубопроводом с автоматическим клапаном к входу компрессора. Газовая полость сепаратора подключена к трубопроводу системы хранения и подачи окислителя на участке между конденсатором первой ступени и морозильником. Устройство сепарации масла, топлива и воды охладителя системы газовыхлопа, газовая полость морозильника и выходной канал шлюзовой камеры для забортной воды трубопроводами с невозвратными клапанами параллельно подключены к откачивающему насосу. Автоматические клапаны управляющими связями подключены к системе автоматического управления, а шлюзовая камера через выходной канал для продуктов сгорания и входной канал для забортной воды соединена с забортным пространством.

Недостатками являются наличие дополнительных фазовых преобразований, ухудшающих тепловую эффективность системы, наличие дополнительных устройств, усложняющих конструкцию и снижающих надежность системы, а также требующих дополнительных расходов полезной мощности. Использование для замораживания углекислого газа одного лишь «холода» жидкого кислорода может не обеспечить надежную работоспособность системы в течение длительного периода эксплуатации.

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 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, 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).

Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стерлинга для подводной лодки (п. 2187676, д. пр. 21.05.2001.), которая содержит, в частности, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем - кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива - горючего и окислителя, и линия отработанных газов, теплообменник-охладитель отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой, сепаратор, расположенный на линии отработанных газов, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. Отработанные газы охлаждают сначала природным газом и кислородом, а затем забортной водой до температуры окружающей среды. Затем из них в сепараторе отделяют Н2О, а оставшийся кислород и СО2 из отработанных газов смешивают с кислородом, после чего эта смесь поступает через экономайзер в камеру сгорания. Подмешивание части отработанных газов в новую порцию кислорода позволяет утилизировать отработанные газы внутри подводной лодки. Природный газ и кислород нагреваются, переходят в газообразное состояние с повышением давления, охлаждая теплоноситель контура охлаждения двигателя, после чего поступают в экономайзер, где перегреваются до высокой температуры ввиду теплообмена с отработанными газами, выходящими из камеры сгорания. Затем природный газ и кислород поступают в камеру сгорания, где происходит реакция горения.

Недостатком является отсутствие системы удаления избыточного количества отработавших газов, непрерывно образующихся в системе при добавлении в нее определенного количества горючего и окислителя.

Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки (п. 2187677, д. пр. 21.05.2001.), в которой удаление углекислого газа происходит растворением отработанных газов, кроме кислорода, в забортной воде с последующим ее удалением за борт, а избыточный кислород возвращают в камеру сгорания двигателя Стирлинга, что обеспечивает утилизацию продуктов сгорания углеводородного топлива. Установка снабжена барботажной камерой, частично заполненной забортной водой, к которой подсоединена линия отработанных газов, а магистраль забортной воды снабжена сбросным отводом с регулирующим вентилем. Продукты сгорания - отработанные газы удаляют из камеры сгорания в экономайзер. После экономайзера отработанные газы поступают в барботажную камеру, где, проходя через слой забортной воды, очищаются от углекислого газа, который растворяется в воде. Остаточный кислород из газовой части камеры засасывается через эжектор в магистраль окислителя. Для удаления из барботажной камеры раствора СО2 и забортной воды предусмотрена напорная линия с насосом.

Недостатком является снижение кпд установки пропорционально глубине погружения вследствие возрастающего сопротивления забортной воды за насосом удаления из барботажной камеры,

Известна аэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки (п. 2187680, д. пр. 21.05.2001.), которая снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода из отработанных газов, адсорбером для вымораживания СО2 и Н2О, расположенным на магистралях горючего и окислителя, а также теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой. Линия отработанных газов последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, адсорбер и теплообменник-ожижитель остаточного кислорода, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ. Утилизации и хранения продуктов сгорания углеводородного топлива осуществляют внутри подводной лодки. Кислородная магистраль проходит сначала через теплообменник-ожижитель, где сжижают остаточный кислород отработанных газов, который сливают в емкость хранения кислорода, а потом совместно с магистралью сжиженного природного газа проходит через адсорбер, где вымораживают СО2 и Н2О из отработанных газов. Продукты сгорания - отработанные газы удаляют из камеры сгорания в экономайзер. После которого они поступают в теплообменник-охладитель, где охлаждаются забортной водой до температуры окружающей среды. Затем, отработанные газы поступают в адсорбер, где из них вымораживают СО2 и Н2О, а оставшийся кислород из отработанных газов подают в теплообменник-ожижитель для конденсации.

Недостатком является наличие процесса вымораживания СО2 и Н2О, поскольку на перемещение твердой фракции, хранение или удаление расходуется полезная мощность.

Известна система удаления углекислого газа для энергетической установки подводного аппарата с газотурбинным двигателем (RU, п. 2542166, д. пр. 04.12.13), принятая за прототип и которая выполнена с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,0-1,6 МПа. В системе после компрессора для создания указанного давления последовательно установлены охладитель газов повышенного давления, влагоотделитель - адсорбер, трехкамерный конденсатор углекислого газа с двумя охлаждающими камерами, сепаратор жидкого СО2, устройством понижения давления и смеситель холодных потоков, а также емкости для хранения жидкого СО2, теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления энергетической установкой. При этом камера отработанных газов конденсатора соединена с сепаратором, который одной своей камерой соединен через устройство понижения давления со смесителем холодных потоков, а другой камерой соединен с емкостью хранения жидкого СО2. Первая охлаждающая камера конденсатора соединена со смесителем холодных потоков, который соединен через вторую охлаждающую камеру конденсатора с ресивером-смесителем, соединенным с двигателем. Конденсатор углекислого газа системы удаления выполнен в виде трехкамерного газогазового неконтактного теплообменника. Криогенная емкость хранения жидкого окислителя выполнена с возможностью хранения жидкого СО2 после израсходования окислителя из емкости и снабжена трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2.

Недостатками являются повышенные габариты и выполнение блока конденсации и сепарации в виде отдельно стоящих конденсатора и сепаратора жидкой фазы углекислого газа, что увеличивает затраты на создание рабочего давления в двух камерах и тепловые потери за счет увеличения общей площади поверхности аппаратов и трубопроводов. Также существует риск обмерзания очищенной газовой фракции в устройстве понижения давления.

Техническим результатом является уменьшение затрат полезной мощности и повышение кпд.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для удаления углекислого газа, включающем последовательно установленные компрессор для создания рабочего давления с подводом отработанных газов, охладитель отработанных газов повышенного давления с входом и выходом забортной воды, влагоотделитель - адсорбер, блок конденсации углекислого газа и сепарации жидкого СО2 с двумя охлаждающими камерами, устройство понижения давления, соединенное со смесителем холодных потоков, а также емкости хранения жидкого СО2 и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом первая охлаждающая камера блока конденсации и сепарации, выполненная с входом для подвода жидкого кислорода, соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков, выход которого соединен со второй охлаждающей камерой блока конденсации и сепарации, выполненной с выходом для отвода газовой смеси из устройства, согласно изобретению устройство выполнено с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа и снабжено теплообменником-испарителем, который выполнен с входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства и установлен перед блоком конденсации и сепарации, который выполнен в виде трехкамерного конденсатора-сепаратора, охлаждаемая камера которого выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостью хранения жидкого СO2, при этом своим входом охлаждаемая камера соединена с теплообменником-испарителем, а выходом газообразной фазы через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков.

Влагоотделитель - адсорбер может быть выполнен двухсекционным, с возможностью поочередной работы каждой из секций.

Теплообменник-испаритель может быть выполнен в виде неконтактного теплообменника.

Конденсатор-сепаратор может быть выполнен в виде газогазового неконтактного кожухотрубного теплообменника.

Турбодетандер может быть выполнен ротационным с возможностью выработки дополнительной полезной мощности.

Турбодетандер может быть соединен с генератором для получения электроэнергии.

Управляемые клапаны могут быть выполнены с возможностью их подключения управляющими связями к системе автоматизированного управления.

Емкость хранения жидкого СО2 может быть выполнена в виде емкости хранения жидкого кислорода после израсходования кислород из емкости, снабженной трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.

Емкость хранения жидкого СО2 может быть снабжена трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.

Принципиальная схема устройства удаления углекислого газа из контура воздухонезависимой энергетической установки подводного аппарата, работающей с применением криогенного углеводородного горючего, представлена на фиг. 1. Отработанные газы являются продуктами сгорания или продуктами конверсии криогенного углеводородного горючего из рабочего цикла воздухонезависимой энергетической установки, работающей на криогенном углеводородном горючем посредством его сжигания или конверсии, т.е. разложения, с образованием паров воды и углекислого газа. В устройстве для удаления углекислого газа, выполненном с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа, последовательно установлены компрессор 1 для создания в системе указанного давления, охладитель газов повышенного давления 2, влагоотделитель - адсорбер 3, теплообменник-испаритель горючего 4, конденсатор-сепаратор углекислого газа 5 с двумя охлаждающими камерами, турбодетандер 6, смеситель холодных потоков 7, а также криогенные емкости хранения жидкого СО2 и жидкого окислителя (не показаны).

Устройство для удаления углекислого газа обеспечивает удаление из состава отработанных газов углекислого газа путем его сжижения и возврат в цикл несвязанного остаточного кислорода, содержащегося в отработанных газах. Рабочее давление газа 1,2-1,6 МПа обеспечивает устойчивое сжижение углекислого газа в конденсаторе-сепараторе 5 при фиксированном расходе жидкого охладителя - кислорода благодаря более высокой температуре конденсации в соответствии с диаграммой его фазовых состояний. На фиг. 2 представлена кривая фазовых состояний СО2 в логарифмической шкале давлений.

Понижение рабочего давления отработанных газов по сравнению с прототипом связано с получением более низкой температуры конденсации углекислого газа в конденсаторе-сепараторе 5 за счет дополнительного охлаждения отработанных газов в теплообменнике-испарителе горючего 4.

Рабочее давление отработанных газов 1,2-1,6 МПа создают компрессором 1. Камеры отработанных газов охладителя 2, влагоотделителя - адсорбера 3, охлаждаемая камера теплообменника-испарителя 4 и охлаждаемая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнены с возможностью работы при давлении 1,2-1,6 МПа. Охладитель 2 выполнен в виде газоводяного неконтактного теплообменника с возможностью охлаждения забортной водой, снабжен патрубками для входа и выхода забортной воды и предназначен для охлаждения потока отработанных газов, нагретого после повышения компрессором 1 давления до 1,2-1,6 МПа. Влагоотделитель - абсорбер 3 предназначен для осушки охлажденных отработанных газов также при рабочем давлении 1,2-1,6 МПа и может быть выполнен двухсекционным, с возможностью поочередной работы каждой из секций.

Теплообменник-испаритель горючего 4 выполнен в виде неконтактного теплообменника с рабочим давлением 1,2-1,6 МПа в охлаждаемой камере и с охлаждающей камерой, снабженной входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства. Теплообменник-испаритель горючего 4 предназначен для охлаждения отработанных газов после компрессора 1 и газификации криогенно-жидкого горючего для обеспечения его подачи в двигатель или установку конверсии. Установка теплообменника-испарителя горючего 4 перед конденсатором-сепаратором 5 позволяет предварительно снизить температуру отработанных газов на 30-40°С и тем самым, в соответствии с диаграммой состояний, уменьшить необходимое рабочее давление до 1,2-1,6 МПа в конденсаторе-сепараторе 5 для сжижения углекислого газа при его охлаждении вскипающим кислородом. Это уменьшает затраты полезной мощности на работу компрессора.

Вход охлаждающей камеры теплообменника-испарителя горючего 4 может быть соединен с криогенной емкостью хранения жидкого горючего (не показано).

Конструкция конденсатора-сепаратора 5 обеспечивает охлаждение отработанных газов и сжижение углекислого газа из них в охлаждаемой камере двумя холодными потоками двух охлаждающих камер при рабочем давлении 1,2-1,6 МПа. Выполнение блока конденсации и сепарации в виде единой конструкции конденсатора-сепаратора 5 обеспечивает устойчивость конденсации и сжижения углекислого газа в требуемом количестве при фиксированном расходе кислорода и уменьшение тепловых потерь и потерь полезной мощности на работу компрессора.

Конденсатор-сепаратор 5 выполнен, например, в виде трехкамерного газогазового неконтактного теплообменника с двойным разнонаправленным фазовым переходом сред. Конденсатор-сепаратор 5 может быть выполнен кожухотрубным. Охлаждаемая камера с отработанными газами выполнена с возможностью работы при давлении 1,2-1,6 МПа и своим входом последовательно соединена с выходом охлаждаемой камеры с отработанными газами теплообменника-испарителя 4, а выходом газообразной фазы с остаточным кислородом через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера 5, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков 6. Охлаждаемая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостями хранения жидкого СО2. При этом первая охлаждающая камера конденсатора-сепаратора 5 выполнена с входом для подвода жидкого кислорода и соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков 6, выход которого соединен с входом второй охлаждающей камеры. При этом вторая охлаждающая камера конденсатор-сепаратора 5 выполнена с выходом для отвода очищенной и обогащенной кислородом газовой смеси из устройства. Вход первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 может быть соединен через криогенный насос с криогенной емкостью хранения жидкого окислителя (не показано).

Турбодетандер 6 может быть выполнен ротационным. Использование в качестве устройства понижения давления турбодетандера 6 обеспечивает выработку дополнительной полезной мощности. К турбодетандеру 6 может быть подключен генератор (не показано), что обеспечивает компенсацию затрат полезной мощности дополнительной выработкой электроэнергии. Турбодетандер 6 также за счет турбулентного движения газа предотвращает возможное обмерзание очищенной газообразной фазы при резком понижении его давления.

Криогенная емкость хранения жидкого окислителя (не показано) соединена через криогенный насос с входом первой охлаждающей камерой конденсатора-сепаратора 5, вторым входом смесителя холодных потоков 6, второй охлаждающей камерой конденсатора-сепаратора 5, что обеспечивает охлаждение и сепарацию отработанных газов в охлаждаемой камере конденсатора-сепаратора 5. Также при этом происходит обогащение искусственной газовой смеси кислородом перед ее подачей через патрубок выхода для отвода газовой смеси из устройства к потребителю, например в камеру сгорания двигателя или в установку конверсии.

Емкость хранения жидкого кислорода выполнена с возможностью хранения жидкого СО2 после израсходования кислорода и снабжена трубопроводами и арматурой приема жидкого СО2, а также для его выгрузки при необходимости (не показано). Использование криогенной емкости для попеременного хранения жидкого окислителя и жидкого СО2 становится возможным благодаря близким термодинамическим условиям криогенного хранения жидкого кислорода и жидкого СО2, и их взаимной химической инертности. Это позволяет отказаться от использования компенсационных цистерн. Для обеспечения замещения одной криогенной среды другой криогенные емкости выполняют идентичными по форме и размеру, при этом их количество должно быть не менее двух, одна из которых изначально пуста.

Устройство снабжено регулируемыми автоматическими клапанами (не показано), которые выполнены с возможностью их подключения управляющими связями к системе автоматического управления, контроля и защиты энергетической установки. Все клапаны и механизмы оснащены исполнительными механизмами, дистанционно управляемыми системой автоматического управления воздухонезависимой установки, что обеспечивает функционирование устройства с оптимальными для текущего режима технико-экономическими характеристиками, устойчивость регулирования и аварийно-предупредительные сигнализацию и защиту.

Устройство работает следующим образом. Поток отработанных газов после сгорания углеводородного горючего в тепловом двигателе или разложения углеводородного горючего в установке конверсии и после их предварительной очистки и осушки направляют в компрессор 1, в котором повышают давление отработанных газов до 1,2-1,6 МПа с одновременным ростом температуры газов до 250-300°С. Нагретые отработанные газы поступают в охладитель 2, где их охлаждают до температуры 40°С. Из охладителя 2 поток газов направляют также под давлением 1,2-1,6 МПа через влагоотделитель - адсорбер 3 в охлаждаемую камеру теплообменника-испарителя горючего 4. В его охлаждающую камеру из криогенной емкости хранения подают сжиженное горючее, например сжиженный природный газ, где горючее, испаряясь, охлаждает поток отработанных газов, понижая их температуру на 30-40°С. Газифицированное горючее при этом направляют в тепловой двигатель или установку конверсии через выход для отвода газообразного горючего охлаждающей камеры.

Дополнительно охлажденные до 0-10°С отработанные газы поступают в охлаждаемую камеру конденсатора-сепаратора 5. На вход первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 направляют в количестве, необходимом для работы теплового двигателя или установки конверсии, жидкий кислород из криогенной емкости хранения окислителя. В конденсаторе-сепараторе 5 за счет теплообмена с первым холодным потоком кислорода отработанные газы охлаждают при исходном давлении 1,2-1,6 МПа до температуры конденсации СО2 -45 - -55°С, соответствующей рабочему давлению 1,2-1,6 МПа по диаграмме фазовых состояний. Образованную жидкую фазу в виде жидкого СО2 отводят из охлаждаемой камеры в криогенные емкости хранения жидкого СО2, а очищенную газообразную фазу с остаточным кислородом направляют в турбодетандер 6, в котором давление газообразной фазы понижают до 0,1 МПа, после чего направляют ее на первый вход смесителя холодных потоков 7 для обогащения газообразным кислородом, поступающим на второй вход смесителя холодных потоков 7 из первой охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5. Затем из смесителя холодных потоков 7 второй холодный поток газообразной фазы и кислорода направляют во вторую охлаждающую камеру конденсатора-сепаратора 5 для конденсации и сепарации углекислого газа. Затем через патрубок выхода второй охлаждающей камеры конденсатора-сепаратора 5 нагретую очищенную и обогащенную кислородом газовую смесь направляют по трубопроводу в составе искусственной газовой смеси в камеру сгорания двигателя или в реактор установки конверсии. При понижении давления газообразной фазы турбодетандером 5 осуществляют выработку дополнительной полезной мощности.

Количество жидкого кислорода, подаваемого в конденсатор-сепаратор 5, дозируется строго в зависимости от нагрузки двигателя с тем, чтобы обеспечить требуемую концентрацию кислорода в искусственной газовой смеси 22-28 об. % в зависимости от типа двигателя и режима работы. Остаточный кислород в отработанных газах циркулирует в замкнутом контуре. Кислород находится в криогенной емкости в жидком состоянии под давлением, близким к атмосферному (0,1 МПа) и с температурой - 180°С. В случае использования устройства для удаления продуктов конверсии углеводородного горючего количество кислорода дозируется в строгом соответствии с нагрузкой установки конверсии.

Таким образом, изобретение уменьшает затраты полезной мощности в устройстве для удаления углекислого газа и повышает его кпд.

1. Устройство для удаления углекислого газа, включающее последовательно установленные компрессор для создания рабочего давления с подводом отработанных газов, охладитель отработанных газов повышенного давления с входом и выходом забортной воды, влагоотделитель - адсорбер, блок конденсации углекислого газа и сепарации жидкого СО2 с двумя охлаждающими камерами, устройство понижения давления, соединенное со смесителем холодных потоков, а также емкости хранения жидкого СО2 и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом первая охлаждающая камера блока конденсации и сепарации, выполненная с входом для подвода жидкого кислорода, соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков, выход которого соединен со второй охлаждающей камерой блока конденсации и сепарации, выполненной с выходом для отвода газовой смеси из устройства, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа и снабжено теплообменником-испарителем, который выполнен с входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства и установлен перед блоком конденсации и сепарации, который выполнен в виде трехкамерного конденсатора-сепаратора, охлаждаемая камера которого выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостью хранения жидкого CO2, при этом своим входом охлаждаемая камера соединена с теплообменником-испарителем, а выходом газообразной фазы через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что влагоотделитель - адсорбер выполнен двухсекционным, с возможностью поочередной работы каждой из секций.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплообменник-испаритель выполнен в виде неконтактного теплообменника.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что конденсатор-сепаратор выполнен в виде газогазового неконтактного кожухотрубного теплообменника.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что турбодетандер выполнен ротационным с возможностью выработки дополнительной полезной мощности.

6. Устройство по пп. 1 и 5, отличающееся тем, что турбодетандер соединен с генератором для получения электроэнергии.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляемые клапаны выполнены с возможностью их подключения управляющими связями к системе автоматизированного управления.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость хранения жидкого СО2 выполнена в виде емкости хранения жидкого кислорода после израсходования кислорода из емкости, снабженной трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость хранения жидкого СО2 снабжена трубопроводом и арматурой приема жидкого СО2 и выгрузки жидкого СО2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха.

Изобретение относится к области энергетики и электротехники и может быть использовано в устройствах для преобразования термодинамической энергии в электрическую, используемых в качестве источника электрической энергии в системах электропитания автономных электроэнергетических комплексов.

Изобретение относится к двигателестроению. Двухтактный двигатель внутреннего нагревания содержит картер, коленчатый вал, шатуны, поршни, крышку цилиндров, блок прерывания тока электронный, системы смазки и охлаждения, а также аккумуляторы.

Изобретение относится к роторным двигателям с внешним подводом теплоты. Роторный двигатель содержит цилиндрический корпус, холодильный аппарат и внешний теплообменный нагреватель.

Изобретение относится к энергетике. Техническим результатом является повышение эффективности.

Изобретение относится к энергетическим установкам, функционирующим без связи с атмосферой и предназначенным для глубоководных аппаратов и подводных лодок. Паровая энергетическая установка снабжена промежуточным контуром с диатермическим маслом и насосом для его циркуляции, при этом в качестве рабочего тела для парового контура использована органическая жидкость, камера сгорания выполнена в виде масляного котла, паровой контур снабжен теплообменником-рекуператором, теплообменником-испарителем и насосом, а промежуточный контур с диатермическим маслом расположен между масляным котлом и паровым контуром и проходит через топочное пространство масляного котла и теплообменник-испаритель парового контура, причем магистраль для отвода отработанных газов снабжена байпасной линией с регулирующим клапаном для подачи части отработанных газов в топочное пространство масляного котла и дожимным компрессором для подачи части отработанных газов непосредственно в емкость для растворения отработанных газов в забортной воде, а магистраль забортной воды последовательно проходит через конденсатор пара парового контура и емкость для растворения отработанных газов в забортной воде.

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности на единицу массы двигателя и, как следствие, повышение экономической эффективности.

Изобретение относится к энергетическим установкам, функционирующим без связи с атмосферой и предназначенным для глубоководных аппаратов и подводных лодок. Энергетическая установка содержит в качестве рабочего тела для парового контура органическую жидкость, паровой контур снабжен установленным между паровой турбиной и конденсатором пара теплообменником-рекуператором и теплообменником-испарителем, через который проходит магистраль для отвода отработанных газов из камеры сгорания, при этом магистраль для отвода отработанных газов снабжена байпасной линией с регулирующим клапаном, соединенной через эжектор с магистралью отработанных газов перед теплообменником-испарителем и отходящей от магистрали для отвода отработанных газов после теплообменника-испарителя.

Изобретение относится к двигателестроению. Тепловая машина реализует цикл Рейлиса и состоит из двух камер разных объёмов, внутри которых расположены вытеснители двухстороннего действия.

Изобретение относится к тепловой энергетике. Тепловая машина с внешним подводом тепла содержит четыре сильфона на горячей стороне машины, соединенные с нагревателями, и четыре сильфона на холодной стороне машины, соединенные с охладителями.

Изобретение относится к области специальных фортификационных сооружений и энергетических систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например специальных фортификационных сооружений. Достигаемый технический результат - увеличение сроков функционирования специального фортификационного сооружения, поддержание холодильного потенциала технической воды, используемой для систем охлаждения автономной электростанции и холодильной машины в режиме полной изоляции (без связи с атмосферным воздухом) за счет охлаждения при газификации сжиженного природного газа, снижение концентрации вредных компонентов в отработанных газах за счет перевода автономной электростанции в режим работы газодизеля, а также увеличение бездренажного хранения сжиженного природного газа за счет размещения емкости в помещении с теплоизолирующим слоем. В режиме полной изоляции энергоснабжение специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой газодизеля (автономной электростанцией) 2. Термостатирование обеспечивается работой холодильной машины 3 и связанной с ней через контур теплоносителя 5 с насосом 6 системой кондиционирования воздуха 4. После охлаждения газодизеля 2 и холодильной машины 3 техническая вода нагревается и сливается в резервуар технической воды 9, что приводит к постепенному повышению всей массы технической воды в резервуаре 9. Для газификации сжиженного природного газа, поступающего из емкости 12 в теплообменник-испаритель 13, в теплообменник-испаритель 13 по магистрали 19 насосом 20 обеспечивается подача технической воды из резервуара технической воды 9. Теплая техническая вода из резервуара технической воды 9, проходя через теплообменник-испаритель 13, отдает свое тепло (через теплообменную поверхность) сжиженному природному газу, в результате чего теплая техническая вода охлаждается и холодной поступает в резервуар технической воды 9. В результате этого процесса в резервуаре технической воды 9 в значительной мере снижается температура технической воды, которая была получена за счет охлаждения газодизеля 2 и холодильной машины 3, что обеспечивает поддержание холодильного потенциала технической воды в резервуаре 9. 1 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторным двигателям Стирлинга. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит два ротора на одном валу. Ротор состоит из цилиндра, выполненного заодно с шайбой, и вращается в цилиндрическом корпусе с выполненными в нем радиальными прорезями. В прорези установлены пластины с вырезами, надетыми на шайбу ротора, с возможностью перемещения взад-вперед вдоль оси двигателя при вращении ротора. При этом ротор, пластины и корпус образуют переменные объемы, в которых происходят рабочие циклы. Каждый из объемов, образованных вокруг одного ротора, соединяется каналами с переменными объемами, образованными вокруг другого ротора, при этом каналы соединяют объемы, расположенные со сдвигом 90 градусов один относительно другого, а один ротор повернут относительно другого ротора на 180 градусов. 2 ил.

Изобретение относится к области двигателей внешнего сгорания и касается привода поршней. Техническим результатом является уменьшение габаритов механизма. Сущность изобретения заключается в том, что на внутренней цилиндрической поверхности косой шайбы имеются ведущие поверхности в виде паза, а внешняя цилиндрическая поверхность для снятия мощности имеет крепления для постоянных магнитов ротора генератора электрического тока. Развертка направляющей пазов на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях косой шайбы является синусоидой. Пазы внутренней цилиндрической поверхности циклически обкатываются входящими в пазы роликами или пальцами двух пар оппозитных штоков поршней внутри косой шайбы, а пазы внешней цилиндрической поверхности - роликами или пальцами механизмов отбора мощности. Оппозитные концы штоков могут нести поршни, рабочие и вытеснительные, или уравновешивающие грузы, пассивные или активные. Одна из оппозитных пар поршней может служить в качестве теплового насоса, когда движения поршней двигательной и теплонасосной пар уравновешивают друг друга. Возможно фазовое смещение рабочих и вытеснительных поршней. Двигатель имеет симметричный корпус, две оппозитные части которого соединяются фланцами картера в единое герметичное целое, что позволяет дольше сохранять высокое давление газового рабочего тела. 50 ил.

Тепловой двигатель относится к двигателям объемного вытеснения с цилиндрами и предназначен для преобразования теплоты нагретой жидкости во вращательное движение коленчатого вала. Двигатель содержит две пары цилиндров, расположенных оппозитно коленчатому валу. Штоки цилиндров взаимодействуют с коленчатым валом. Рабочее тело, например воздух, поступает из питателя в теплообменник первой пары, выход которого соединен с полостью первого рабочего цилиндра. Выход полости первого рабочего цилиндра соединен с охладителем. Полость нагнетательного цилиндра первой пары имеет входное отверстие, соединенное с выходом охладителя и выходное отверстие, соединенное с входом теплообменника второй пары цилиндров. Выход второго теплообменника соединен с входом рабочего цилиндра второй пары. Связанный с ним через коленчатый вал нагнетательный цилиндр второй пары имеет входное отверстие, соединенное с выходом охладителя и выходное отверстие, соединенное с входом теплообменника первой пары. Обеспечивается стабильная циркуляция рабочего тела в замкнутой системе, что повышает надежность работы двигателя. Можно использовать двигатель в условиях ограниченного потребления или исключения притока воздуха и способствует повышению экологичности за счет отсутствия выхлопа. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор. Предложен электрический линейный генератор с двигателем Стирлинга типа Флюидайн. В качестве рабочей жидкости вытеснительного поршня 3 используется вода, а в качестве рабочей жидкости рабочего поршня 2 используется ферромагнитная жидкость. Горячая полость 5 охватывает верхнюю часть одного конца U-образной трубы 1 вытеснительного поршня, а холодная полость 6 охватывает верхнюю часть второго конца U-образной трубы 1 вытеснительного поршня и верхнюю часть одного колена U-образной трубы 2 рабочего поршня. При работе двигателя между горячей 5 и холодной 6 полостями по каналу 7 перемещается горячий газ. На свободном колене U-образной трубы рабочего поршня 4 расположен кольцевой постоянный магнит 9. Линейный электрический генератор 8 размещен концентрично снаружи U-образной трубы рабочего поршня в зоне перемещения рабочего поршня 4 внутри магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 9. Технический результат - упрощение конструкции и повышение ресурса работы электрического генератора с двигателем Стирлинга. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэлектроэнергетики и предназначено для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в производственных и жилых помещениях при отсутствии электропитания от сети. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности установки путем улучшения динамической устойчивости системы при переходных режимах, возникающих при скачках электрической или тепловой нагрузок, а также повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что устройство включает модуль электрогенерирующего устройства (18), в состав которого входит двигатель Стирлинга (1), основная газовая горелка (2) для подвода тепловой энергии к головке двигателя (1), синхронный линейный генератор с постоянными магнитами (3), интегрированный в корпус двигателя (1), настроечная резонансная емкость (11) на выходе линейного генератора (3) и система охлаждения (10) двигателя (1); модуль преобразовательной силовой электроники (19), в состав которого входит инвертор (5), выпрямитель (7), накопитель электрической энергии (4) и общая шина переменного тока (6), к которой подключена настроечная емкость (11) модуля электрогенерирующего устройства (18); модуль теплогенерирующего устройства (20), в состав которого входит теплогенератор (12), дополнительная газовая горелка (13) и аварийный охладитель (14); модуль регулируемой балластной нагрузки (9), подключенный к общей шине переменного тока (6) модуля преобразовательной силовой электроники (19); систему автоматического управления (17), сигналы которой обеспечивают управление вышеуказанными модулями (18), (19), (20), (9), выполненную с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора (3), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1) и управления включением линейного генератора (3) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (1). 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области специальных фортификационных сооружений и энергетических систем объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например специальных фортификационных сооружений. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой электрической мощности холодильной машиной при функционировании в режиме полной изоляции, а также повышение взрыво- и пожаробезопасности при хранении сжиженного природного газа в специальном фортификационном сооружении. Подземное специальное фортификационное сооружение состоит из шахтного входа для связи с дневной поверхностью и соединенного с ним основного железобетонного помещения, содержащего автономною электростанцию, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанную с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, резервуар с горючим и магистралью подачи горючего в автономную электростанцию, резервуар с воздухом и магистралью подачи воздуха в качестве окислителя в автономную электростанцию. Сооружение снабжено железобетонным резервуаром для хранения сжиженного природного газа, используемого в качестве горючего в режиме полной изоляции, газопоршневой энергетической установкой в качестве автономной электростанции, теплообменником-испарителем, связанным с системой кондиционирования воздуха замкнутым контуром с теплоносителем и циркуляционным насосом, криогенной машиной Стирлинга с электродвигателем, связанной с газовой полостью резервуара со сжиженным природным газом магистралью откачивания паров и магистралью слива сжиженного природного газа. Резервуар со сжиженным природным газом выполнен с безвакуумной теплоизоляцией, расположен вне основного помещения и связан с ним железобетонной технологической потерной для прокладки магистралей с природным газом, резервуар снабжен магистралью заправки сжиженного природного газа, проходящей в полости шахтного входа, и магистралью с криогенным насосом для подачи сжиженного природного газа в газопоршневую энергетическую установку, проходящей через теплообменник-испаритель. 1 ил.

Изобретение относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих без доступа атмосферного воздуха. Устройство для удаления углекислого газа включает последовательно установленные компрессор для создания рабочего давления с подводом отработанных газов, охладитель отработанных газов повышенного давления с входом и выходом забортной воды, влагоотделитель - адсорбер, блок конденсации углекислого газа и сепарации жидкого СО2 с двумя охлаждающими камерами, устройство понижения давления, соединенное со смесителем холодных потоков, а также емкости хранения жидкого СО2 и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом первая охлаждающая камера блока конденсации и сепарации, выполненная с входом для подвода жидкого кислорода, соединена своим выходом со вторым входом смесителя холодных потоков, выход которого соединен со второй охлаждающей камерой блока конденсации и сепарации, выполненной с выходом для отвода газовой смеси из устройства, отличается тем, что устройство выполнено с возможностью работы при рабочем давлении газа 1,2-1,6 МПа и снабжено теплообменником-испарителем, который выполнен с входом для подвода криогенно-жидкого горючего из емкости его хранения и выходом для отвода газообразного горючего из устройства и установлен перед блоком конденсации и сепарации, который выполнен в виде трехкамерного конденсатора-сепаратора, охлаждаемая камера которого выполнена с возможностью сепарации жидкого СО2 и снабжена выходом для отвода жидкого СО2, соединенным с емкостью хранения жидкого CO2, при этом своим входом охлаждаемая камера соединена с теплообменником-испарителем, а выходом газообразной фазы через устройство понижения давления, выполненное в виде турбодетандера, она соединена с первым входом смесителя холодных потоков. Техническим результатом является уменьшение затрат полезной мощности и повышение кпд. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх