дизельная энергетическая установка замкнутого цикла с удалением продуктов сгорания в твердом виде

Формула изобретения

Дизельная энергетическая установка подводного аппарата, содержащая двигатель внутреннего сгорания, систему автоматического управления, впускную систему с подогревателем, с полостями впускных и выхлопных газов и смесительной камерой, систему газовыхлопа с клапаном регулирования рециркуляции и охладителем, снабженным устройством сепарации масла, топлива и воды, систему хранения и подачи окислителя с криогенной емкостью хранения окислителя, систему удаления продуктов сгорания, включающую компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с полостями продуктов сгорания и охлаждающей, сепаратор с полостями газовой и продуктов сгорания и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, отличающаяся тем, что в систему хранения и подачи окислителя дополнительно введены криогенный насос, конденсатор второй ступени с полостями кислородной и продуктов сгорания, морозильник с полостями охлаждающей и продуктов сгорания и устройство понижения давления, в систему удаления продуктов сгорания дополнительно введены льдогенератор, имеющий внутреннюю полость и газовую рубашку, шлюзовая камера с перекрывающимися входными и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды и откачивающий насос, во впускную систему дополнительно введена емкость хранения низкомолекулярного газа, например аргона, причем 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 подключен к смесительной камере, емкость хранения низкомолекулярного газа подключена к смесительной камере трубопроводом с автоматическим клапаном, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению, более конкретно к судовым дизельным энергетическим установкам (СДЭУ) подводных аппаратов (ПА), работающих по замкнутому циклу (ЗЦ), т.е. без доступа атмосферного воздуха.

Известна дизельная энергетическая установка (ДЭУ), работающая по ЗЦ с удалением продуктов сгорания за борт эвакокомпрессором (Дизельные установки подводных аппаратов. Судостроение, 1982, N 7, рис. 1, с.20).

Недостатками такой установки являются значительные потери мощности на привод эвакокомпрессора, что ограничивает возможность ее использования в ПА с глубиной погружения более 300 м.

Известна также ДЭУ, работающая по ЗЦ, в которой удаление продуктов сгорания осуществляется путем их растворения в забортной воде. Такая энергетическая установка является более экономичной, однако имеет значительные массогабаритные характеристики и также характеризуется высокими энергозатратами на привод насосов, обслуживающих данную ДЭУ (Энергетические установки подводных лодок с дизелем замкнутого цикла. Судостроение за рубежом, 1991, N 12, рис. на с.62).

Известна также ДЭУ ПА, работающая по ЗЦ, содержащая двигатель внутреннего сгорания, систему автоматического управления, впускную систему со смесительной камерой и подогревателем с полостями впускных и выхлопных газов, систему газовыхлопа с охладителем, имеющим устройство сепарации масла, топлива и воды, и клапаном регулирования рециркуляции, систему хранения и подачи окислителя с криогенной емкостью хранения окислителя, систему удаления продуктов сгорания, включающую компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с полостями продуктов сгорания и охлаждающей, сепаратор с полостями газовой и продуктов сгорания, абсорбционную холодильную машину, емкость для хранения жидкой двуокиси углерода и теплоизолированные трубопроводы с арматурой включающей автоматические клапаны (Дизельные установки подводных аппаратов. Судостроение, 1982, N 7, рис. 4, с. 21). Эта установка принята за прототип.

Задачей изобретения является получение технического результата, заключающегося в повышении КПД и уменьшении массогабаритных характеристик ДЭУ.

Для этого в известной ДЭУ ПА, работающей по замкнутому циклу, с рециркуляцией продуктов сгорания и удалением CO₂ с помощью эвакокомпрессора и последующего ожижения углекислого газа, в систему хранения и подачи окислителя дополнительно введены криогенный насос, конденсатор второй ступени с полостями кислородной и продуктов сгорания, морозильник с полостями охлаждающей и продуктов сгорания и устройство понижения давления, в систему удаления продуктов сгорания дополнительно введены льдогенератор, имеющий внутреннюю полость и газовую рубашку, шлюзовая камера с перекрывающимися входными и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды и откачивающий насос, во впускную систему дополнительно введена емкость хранения низкомолекулярного газа, например, аргона, причем, емкость хранения жидкого окислителя через последовательно соединенные между собой трубопроводом криогенный насос, кислородную полость конденсатора второй ступени, устройство понижения давления, охлаждающие полости конденсатор первой ступени и морозильника подключена к смесительной камере, емкость хранения низкомолекулярного газа подключена к смесительной камере трубопроводом с автоматическим клапаном, 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 конденсаторов первой и второй 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.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема ДЭУ ЗЦ с удалением продуктов сгорания за борт в твердом виде.

ДЭУ ЗЦ включает в себя следующее основное оборудование:

двигатель 1 внутреннего сгорания;

системы:

топливную с расходной цистерной 2 и трубопроводом 3;

впускную, содержащую подогреватель 4 с полостями впускных 5 и выхлопных 6 газов, смесительную камеру 7, емкость 8 хранения низкомолекулярного газа, трубопровод 9 с автоматическим клапаном;

газовыхлопа с охладителем 10 снабженным устройством сепарации масла, топлива и воды, клапаном 11 регулирования рециркуляции;

хранения и подачи окислителя, содержащую криогенную емкость 12 хранения окислителя, криогенный насос 13, конденсатор 14 второй ступени с полостями кислородной 15 и продуктов сгорания 16, морозильник 17 с полостями охлаждающей 18 и продуктов сгорания 19, устройство 20 понижения давления и трубопроводы 21 и 22;

удаления продуктов сгорания, включающую компрессор 23 с входом 24 и выходом 25, охладитель 26 газов за компрессором, конденсатор 27 первой ступени с полостями охлаждающей 28 и продуктов сгорания 29, сепаратор 30 с полостями газовой 31 и продуктов сгорания 32, льдогенератор 33 имеющий, внутреннюю полость 34 и газовую рубашку 35, шлюзовую камеру 36 с перекрывающимися входными каналами для твердых продуктов сгорания 37 и забортной воды 38 и выходными каналами для твердых продуктов сгорания 39 и забортной воды 40, откачивающий насос 41, трубопровод 42.

Емкость 12 хранения окислителя через последовательно соединенные между собой трубопроводом криогенный насос 13, кислородную полость 15 конденсатора 14 второй ступени, устройство 20 понижения давления, охлаждающую полость 28 конденсатора 27 первой ступени и охлаждающую полость 18 морозильника 17 подключена к смесительной камере 7, емкость 8 хранения низкомолекулярного газа подключена к смесительной камере 7 трубопроводом 9 с автоматическим клапаном, вход 24 компрессора 23 через газовую полость 19 морозильника 17 подключен к клапану 11 регулирования рециркуляции, входной канал 37 для продуктов сгорания шлюзовой камеры через последовательно соединенные трубопроводом внутреннюю полость 34 льдогенератора 33, полость 32 продуктов сгорания сепаратора 30, полости 16 и 29 продуктов сгорания конденсаторов 14 и 27 второй и первой ступеней, охладитель 26 газов за компрессором подключена к выходу 25 компрессора 23, газовая рубашка 35 льдогенератора 33 подключена трубопроводом с автоматическим клапаном к трубопроводу 42, газовая полость 31 сепаратора 30 параллельно подключена к трубопроводам 21 и 22, устройство сепарации масла, топлива и воды охладителя 10, газовая полость 19 морозильника 17 и выходной канал 40 шлюзовой камеры 36 трубопроводами с невозвратными клапанами параллельно подключены к откачивающему насосу 41, 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.

Включение в энергетическую установку предлагаемого криогенного оборудования (криогенного насоса, конденсатора второй ступени, устройства понижения давления, морозильника и т.д.), а также подсоединение полости продуктов сгорания конденсатора второй ступени с системой удаления продуктов сгорания, позволяют, по сравнению с прототипом, более рационально использовать низкотемпературную энергию окисления, что дает возможность исключить из состава ЭУ холодильную установку, уменьшить затраты мощности на привод компрессора системы удаления продуктов сгорания.

Введение в ЭУ шлюзовой камеры и льдогенератора и их подключение к системе удаления продуктов сгорания, позволяет удалить продукты сгорания ДВС за борт, и, соответственно, исключить из состава ЭУ прочные емкости для хранения жидкого CO₂.

Использование в ЭУ ЗЦ низкомолекулярного газа позволяет улучшить термодинамические свойства рабочего тела в дизеле (уменьшить теплоемкость), тем самым повысить топливную экономичность.

ЭУ работает следующим образом.

Рабочая смесь, поступающая на всасывание в дизель 1, образуется в смесительной камере 7 и состоит из окислителя (кислорода), низкомолекулярного газа и продуктов сгорания. Окислитель поступает в смесительную камеру (СК) 7 из емкости 12 хранения окислителя, предварительно пройдя конденсаторы 14 и 27, устройство понижения давления 20 и морозильник 17. Низкомолекулярный газ в СК 7 подается из емкости 8 по трубопроводу 9, а выхлопные газы (ВГ) поступают в СК 7 из системы газовыхлопа. Топливо подается в дизель 1 из цистерны 2 по трубопроводу 3.

Выхлопные газы, образующиеся в процессе сгорания топлива в цилиндрах дизеля 1, поступают в полость 6 подогревателя 4, где они охлаждаются в процессе теплообмена с рабочей смесью, поступающей на всасывание в двигатель 1 через полость 5 данного подогревателя. В результате температура смеси повышается до температуры наддува. Затем ВГ направляются в конвективный охладитель 10, содержащиеся в них водяные пары конденсируются и удаляются насосом 41 за борт, отсепарированные масло и топливо поступают в отстойную цистерну. В качестве охлаждающей среды в охладителе 10 используются забортная вода из системы охлаждения двигателя. Затем в клапане регулирования рециркуляции 11 осуществляется разделение ВГ таким образом, что образующаяся в процессе сгорания топлива часть газов, поступает в полость 19 морозильника 17, а оставшаяся в СК 7. В морозильнике 17 происходит дальнейшее охлаждение ВГ и замораживание остатков конденсата. Хладагент, охлаждающий газы, подается в полость 18 морозильника из цистерны 12, предварительно пройдя конденсаторы 14 и 27. В процессе работы установки происходит забивание полости 19 морозильника 17 льдом, образованного из конденсата, поэтому для нормального функционирования установки, морозильник 17 выполняется двухсекционным. В процессе образования льда в первой секции во второй происходит его оттайка, а образовавшаяся вода удаляется насосом 41 за борт. Из морозильника 17 газы поступают в трубопровод 42, где происходит из смешение с CO₂, образующимся в газовой рубашке 35 льдогенератора 33, и дополнительное охлаждение.

Для получения твердых продуктов сгорания максимальной плотности необходимо наличие жидкой фазы СO₂. Существование жидкой фазы возможно только при давлении выше критического 5,3 ата, поэтому в компрессоре 23 давление газов увеличивается до 6 ата. Затем газы поступают в охладитель 26, в котором в качестве охлаждающей среды используется забортная вода из системы охлаждения дизеля. Из охладителя 26 смесь газов направляется в конденсаторы 27 и 14, в которых за счет теплообмена с кислородом она сначала охлаждается до температуры конденсации CO₂ минус 50^oC, cоответствующей давлению 6 ата, а затем происходит конденсация двуокиси углерода. Образовавшаяся двухфазная среда направляется в сепаратор 30, где осуществляется разделение фаз, затем жидкая углекислота переливается во внутреннюю полость 34 льдогенератора 33, а газовая фаза, состоящая из кислорода и низкомолекулярного газа, поступает в смесительную камеру 7 по трубопроводу 21 и далее в составе рабочего тела на всасывание в дизель 1 или в качестве хладагента по трубопроводу 22 направляется в охлаждающую полость 18 морозильника 17.

Кислород хранится в цистерне 12 в жидком состоянии под давлением 1 5 ата и с температурой 50 100 К. Криогенным насосом 13 он подается под давлением 30 40 ата в кислородную полость 15 конденсатора второй ступени 14. В конденсаторе 14 в процессе теплообмена с конденсирующимся CO₂ жидкий кислород испаряется и нагревается до температуры конденсации двуокиси углерода минус 50^oС. Затем в устройстве понижения давления 20 хладагент расширяется, при этом его давление уменьшается до давления наддува, а температура снижается на 115^oС.

Из устройства 20 понижения давления кислород поступает в полость 28 конденсатора 27, в котором происходит охлаждение ВГ и начало конденсации CO₂. Затем хладагент направляется в полость 18 морозильника 17, из которой поступает в СК 7 и в составе рабочего тела подается на всасывание в дизель 1.

Во внутренней полости 34 льдогенератора 33 в процессе понижения давления жидкости ниже критического значения жидкая фаза CO₂ разделяется на твердую (сухой лед) и газообразную. Газообразная двуокись углерода через газовую рубашку 35 поступает в трубопровод 42.

После окончания процесса кристаллизации СO₂ брикет сухого льда поступает в шлюзовую камеру 36 через входной канал 37, затем канал 37 перекрывается и камера 36 герметизируется, после этого по каналу 38 в шлюзовую камеру 36 подается забортная вода. После выравнивания давлений в камере с забортным открывается выходной канал 39 и брикет сухого льда под действием силы тяжести удаляется за борт. Затем каналы 38 и 39 закрываются, и шлюзовая камера 36 через канал 40 осушается насосом 41.

Расчеты для ПА с подводной автономностью 72 часа и ЭУ содержащей ДГ мощностью 50 кВт показывают, что за счет исключения из состава ЭУ холодильной установки, прочных емкостей для хранения жидкого СO₂, а также удаление образующихся продуктов сгорания за борт возможно улучшение массогабаритных характеристик энергетической установки приблизительно на 40 при этом КПД установки возрастает с 22 до 37 вследствие улучшения рабочего процесса в двс работающего на смеси содержащей низкомолекулярный газ, уменьшения требуемой мощности на привод компрессора системы удаления продуктов сгорания, а также исключения потерь мощности на привод холодильной установки.