Патент на изобретение №2187680

(54) АНАЭРОБНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА ДЛЯ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

(57) Реферат:

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 – уменьшение массогабаритных характеристик установки и снижение стоимости эксплуатации подводной лодки в целом. Энергоустановка содержит двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкости с криогенным горючим и криогенным кислородом, экономайзер, холодильный блок, через который проходит контур охлаждения двигателя. Установка снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, 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. 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики и двигателям Стирлинга, предназначено в качестве энергоустановки для морских объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например подводных лодок и глубоководных аппаратов
Известно 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/ 04, Бюл. 32 от 20.11.98, – стр. 192). Однако в данной установке в качестве горючего применяется жидкий водород, который, с одной стороны, является очень дорогим веществом, а с другой стороны, его хранение требует применения азотного экрана, что значительно усложняет конструкцию и стоимость криогенной емкости, по сравнению с хранением жидкого природного газа.

Технический результат, который может быть получен при осуществления изобретения, заключается в уменьшении массогабаритных характеристик установки, а также в снижении стоимости эксплуатации анаэробной установки и подводкой лодки в целом.

Для достижения этого технического результата анаэробная установка с двигателем Стирлинга для подводной лодки, содержащая двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем – кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива (горючего и окислителя) и линия отработанных газов, холодильный блок, расположенный на магистралях подачи криогенных компонентов топлива и через который проходит контур охлаждения двигателя, снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, расположенным на магистрали жидкого кислорода и связанным линией слива сжиженного кислорода с емкостью жидкого кислорода, 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, при этом 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.

Введение в состав анаэробной установки с двигателем Стирлинга теплообменника-ожижителя остаточного кислорода в отработанных газах, адсорбера для вымораживания СО₂ и Н₂О, теплообменника-охладителя отработанных газов и использование в качестве криогенного горючего сжиженного природного газа позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности утилизации и хранения продуктов сгорания углеводородного топлива внутри подводной лодки, а также значительно снизить эксплутационные затраты на использование и хранение криогенного топлива за счет применения более дешевого горючего СПГ.

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

Анаэробная установка с двигателем Стирлинга состоит из преобразователя энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты (двигатель Стирлинга) 1, контура охлаждения 2 преобразователя 1, аккумулятора холода 3, емкости с жидким кислородом 4, емкости со сжиженным природным газом – СПГ 5, магистрали подачи кислорода 6, магистрали подачи СПГ 7, теплообменника-ожижителя остаточного кислорода 8, адсорбера 9, холодильного блока 10, экономайзера 11, теплообменника-охладителя отработанных газов 12, линии отработанных газов 13, линии слива сжиженного кислорода 14, магистрали подачи забортной воды 15 с насосом 16, проходящей через аккумулятор холода 3 и теплообменник-охладитель 12.

Двигатель Стирлинга 1 включает в себя камеру сгорания 17 и холодильник 18. Через холодильник 18 двигателя 1 проходит контур охлаждения 2, связывающий двигатель 1 с аккумулятором холода 3 и холодильным блоком 10. Для циркуляции теплоносителя в контуре охлаждения 2 предназначен насос 19 Камера сгорания 17 двигателя 1 связана с емкостью жидкого кислорода 4 магистралью подачи 6, проходящей через теплообменник-ожижитель 8 остаточного кислорода отработанных газов, адсорбер 9, холодильный блок 10, экономайзер 11, и содержащей насос 20. Сжиженный природный газ из емкости 5 поступает в камеру сгорания 17 по магистрали 7, проходящей через адсорбер 9, холодильный блок 10, экономайзер 11, и содержащей насос 21.

Отработанные газы из камеры сгорания 17 по линии отработанных газов 13 последовательно поступают в экономайзер 11, теплообменник-охладитель отработанных газов 12, адсорбер 9 и теплообменник-ожижитель 8.

Анаэробная установка с двигателем Стирлинга работает следующим образом.

Предварительно, перед началом функционирования подводной лодки в автономном режиме, в нем запасаются в необходимых количествах рабочие среды: жидкий кислород в емкости 4 и сжиженный природный газ в емкости 5. Для обеспечения полноты сгорания природного газа, которая характеризуется содержанием СО (окиси углерода) и С (углерода) в отработанных газах, в камеру сгорания 17 подается избыточный кислород по сравнению с его количеством, которое определяется стехиометрическим соотношением.

В камере сгорания 17 происходит реакция горения СПГ и кислорода (с избыточным его количеством) с выделением теплоты, которая передается рабочему телу двигателя Стирлинга 1. Для высокоэффективной работы двигателя 1 в его холодильник 18 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 19 подается в холодильный блок 10. 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 18 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 10 жидкий кислород и сжиженный природный газ подаются из емкостей 4 и 5 соответственно насосами 20 и 21 по магистралям 6 и 7. Предварительно кислородная магистраль проходит сначала через теплообменник-ожижитель 8, где сжижается остаточный кислород отработанных газов, который потом сливается по линии 14 в емкость 4, а потом совместно с магистралью СПГ 7 проходит через адсорбер 9, где вымораживаются СО₂ и Н₂О из отработанных газов. В холодильном блоке 10 природный газ и кислород нагреваются с повышением давления, охлаждая теплоноситель контура охлаждения 2, так как имеют более низкий уровень температур, после чего поступают в экономайзер 11, где перегреваются до высокой температуры, ввиду теплообмена с отработанными газами, выходящими из камеры сгорания 17. Затем природный газ и кислород поступают в камеру сгорания 17, где происходит реакция горения. Продукты сгорания (отработанные газы) удаляются из камеры сгорания 17 по линии 13. После экономайзера 11 отработанные газы поступают в теплообменник-охладитель 12, где охлаждаются забортной водой до температуры окружающей среды. Затем, отработанные газы поступают в адсорбер 9, где из них вымораживаются СО₂ и Н₂О, а оставшийся кислород из отработанных газов подается в теплообменник-ожижитель 8 для конденсации. Забортная вода в подводную лодку подается по магистрали 15 с помощью насоса 16.

Источники информации
1. Г.Ридер., Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М., “Мир”, 1986, стр. 55.

4. Кириллов Н.Г. Автономная энергоустановка с двигателем Стирлинга Заявка РФ на изобретение 96116770, F 02 G 1/04, Бюл. 32 от 20.11.98, стр. 192 – прототип.

Формула изобретения

Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга для подводной лодки, содержащая двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, которая связана с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкость с криогенным горючим, емкость с криогенным окислителем – кислородом, экономайзер, через который проходят магистрали газообразных компонентов топлива (горючего и окислителя) и линия отработанных газов, холодильный блок, расположенный на магистралях подачи криогенных компонентов топлива и через который проходит контур охлаждения двигателя, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, расположенным на магистрали жидкого кислорода и связанным линией слива сжиженного кислорода с емкостью жидкого кислорода, 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, при этом 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.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.05.2003

Извещение опубликовано: 20.02.2005 БИ: 05/2005