СИСТЕМА ОЖИЖЕНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ИЗ СМЕСИ ОТВОДИМЫХ ГАЗОВ, ОТРАБОТАВШИХ В ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКЕ НА УГЛЕВОДОРОДНОМ ГОРЮЧЕМ
SYSTEM OF LIQUEFYING CARBON DIOXIDE FROM MIXTURE OF EXHAUST GASES, USED IN AIR-INDEPENDENT HYDROCARBON FUEL POWER STATION

Изобретение относится к области энергетики, в частности анаэробной энергетики, и касается энергоустановок (ЭУ) на углеводородном горючем и кислороде, и может быть использовано в воздухонезависимых ЭУ с тепловыми двигателями и электрохимическими генераторами применительно к подводным объектам различного назначения.
Актуальным для улучшения технических характеристик воздухонезависимых ЭУ для подводного применения является исключение их связи с окружающей средой, давление которой может в десятки и сотни раз превышать атмосферное, по газообразным продуктам, образующимся в результате энергогенерирующей реакции.
Смесь отработавших газов, отводимых после снижения их температуры и отделения паров воды в конденсаторе-охладителе, состоит из двуокиси углерода, избыточного кислорода и других газообразных компонентов.
Количественно ее состав, который зависит от типа ЭУ и вида углеводородного горючего, может характеризоваться содержанием по массе: двуокиси углерода - 92-97%, избыточного кислорода - 7-2% и других газообразных компонентов - меньше 1%.
Ожижение двуокиси углерода с передачей тепла газифицируемому кислороду, хранящемуся на подводном объекте в жидком состоянии и подаваемому для работы ЭУ, с накоплением жидкой углекислоты в теплоизолированных баластных емкостях является необходимым условием обеспечения работы ЭУ без связи с окружающей забортной водой по газообразным продуктам реакции углеводородного горючего и кислорода.
Попытка сжижения двуокиси углерода из смеси газов, образовавшихся в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), отбираемых и сжимаемых компрессором, с последующим хранением жидкой углекислоты в специальных емкостях была предпринята в 1935 г. (Баданин В.А. Подводные лодки с единым двигателем. СПб, Гангут, 1998.).
Тепло в процессе конденсации двуокиси углерода передавалось газифицируемому кислороду, который направлялся для работы ДВС. Была создана система отвода продуктов сгорания дизельного горючего на указанных принципах. Ее испытания в составе ЭУ с ДВС замкнутого цикла не были завершены.
Известна ЭУ с двигателем стирлинга для подводных технических средств (авт. св. №94037844, 6 B63G 8/12, 1994), в которой избыточный кислород, содержащийся в смеси отводимых газов, охлаждается встречным потокам жидкого кислорода, дросселируется, сжижается и возвращается в одну из криогенных емкостей с запасом жидкого кислорода. Двуокись углерода из смеси отводимых газов переводится в жидкое состояние в специальном ожижителе, охлаждаемом кипящим кислородом, и накапливается в сборнике жидкой углекислоты. В материалах отсутствует информация относительно способа передачи тепла от смеси отводимых газов, содержащих двуокись углерода с температурой образования льда ~ 217 К, к газифицируемому кислороду с температурой 90÷120 К, при которой он может содержаться в криогенной емкости. Ожижение двуокиси углерода без образования твердой фазы посредством передачи тепла газифицируемому кислороду через разделяющую их "стенку" в габаритах теплопередающих аппаратов, приемлемых для практического использования на транспортных средствах, затруднено и представляет самостоятельную задачу.
По основным признакам, к которым относятся разделение потока смеси отводимых газов на параллельные потоки с равными расходами по отдельным секциям конденсатора двуокиси углерода и использование газифицированного кислорода в качестве промежуточного теплоносителя между конденсатором двуокиси углерода и испарителем жидкого кислорода, предлагаемое техническое решение наиболее близко к системе газоотбора в ЭУ с ДВС замкнутого цикла, схема которой приведена в статье: Ю.Н.Чекалов "Тепловые энергетические установки на замкнутом цикле для неатомных подводных лодок и аппаратов" (Судостроение, 1995, №4, с.16, рис.3), принятой за прототип.
В известной системе испаритель жидкого кислорода, поступающего из криогенной емкости, разделен так же, как и конденсатор двуокиси углерода на две секции с патрубками входа и выхода рециркулирующего кислорода. Первая секция соединена со второй последовательно по ходу газифицируемого кислорода, а секции конденсатора двуокиси углерода подсоединены параллельно к распределительному трубопроводу смеси отводимых газов.
Тракт рециркуляции газообразного кислорода между секциями испарителя и секциями конденсатора организован следующим образом. Патрубок выхода газифицированного кислорода из второй секции испарителя соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающего кислорода в первую по направлению движения рециркулирующего кислорода секцию конденсатора, патрубок выхода охлаждающего кислорода из которой соединен трубопроводом с патрубком входа греющего кислорода в первую секцию испарителя. Патрубок выхода греющего кислорода из первой секции испарителя соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающего кислорода во вторую по направлению движения рециркулирующего кислорода секцию конденсатора, патрубок выхода охлаждающего кислорода из которой соединен трубопроводом с патрубком входа греющего кислорода во вторую секцию испарителя. Патрубок выхода греющего кислорода из второй секции испарителя соединен трубопроводом с патрубком входа газообразного кислорода в подогреватель, где вода используется в качестве греющей среды.
Недостатком этой системы является нарушение устойчивого режима ее работы с переводом ЭУ на более низкий уровень мощности по сравнению с проектным.
Проектом системы предусмотрено равномерное распределение теплоотвода между секциями испарителя и равного ему теплоподвода между секциями конденсатора на выбранном режиме работы ЭУ. Перевод ЭУ на режим меньшей (частичной) мощности и соответствующее уменьшение расхода жидкого кислорода и расхода смеси отводимых газов, которые однозначно связаны энергогенерирующей реакцией, ведет к увеличению до 80% и более доли первой секции испарителя в общем теплоотводе, который в основном определяется процессом испарения жидкого кислорода. За ростом относительной величины теплоотвода в первой секции испарителя следует возрастание теплоподвода во второй секции конденсатора, уменьшение температуры смеси газов до ~ 217 К и образование твердой фазы двуокиси углерода. Последнее уменьшает расход смеси отводимых газов и снижает теплоподвод в системе. Одним из негативных результатов снижения температуры рециркулирующего кислорода является уменьшение температуры газообразного кислорода на входе его в подогреватель и замерзание воды, используемой в качестве греющей среды. Все это приводит к прекращению работы системы сжижения двуокиси углерода и отвода смеси газов, образующихся в ДВС замкнутого цикла.
Серьезные недостатки в работе этой системы сжижения двуокиси углерода, обнаруженные во время испытаний ДВС замкнутого цикла с системой газоотбора, не были устранены, испытания были вынужденно прекращены с отрицательными результатами /Ю.Н.Чекалов, - Судостроение, 1995, №4, с 16/. Основной причиной нарушения работоспособности испытанного варианта системы сжижения двуокиси углерода является образование углекислотных ледяных пробок в трубопроводах /Э.Л.Мышинский. Подводные лодки с анаэробными энергетическими установками, Санкт-Петербург, ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2006, с.35/.
Задачей предлагаемого изобретения является создание работоспособного варианта системы ожижения двуокиси углерода из смеси отводимых газов, отработавших в воздухонезависимой ЭУ на углеводородном горючем, исключающего образование водяных и углекислотных ледяных пробок при его использовании в эксплуатационных режимах ЭУ.
Это достигается тем, что в состав системы ожижения двуокиси углерода введен охладитель смеси отводимых газов с одним или двумя патрубками входа газообразного кислорода. В испаритель, расположенный вертикально, встроены нагревательные элементы, например трубки, которые разделены на группы по числу, равному количеству секций конденсатора двуокиси углерода, с одним и тем же числом нагревательных элементов в каждый группе. Каждая группа нагревательных элементов объединена общим патрубком входа и общим патрубком выхода греющего газообразного кислорода. Патрубок входа греющего кислорода в каждую группу нагревательных элементов испарителя соединен трубопроводом с патрубком выхода охлаждающего кислорода из секции конденсатора. Патрубок выхода греющего кислорода соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающего кислорода в секцию конденсатора. Патрубок выхода газифицированного кислорода из испарителя соединен трубопроводом с патрубком входа охлаждающего кислорода в первую по направлению потока рециркулирующего кислорода секцию конденсатора. Патрубок выхода греющего кислорода из последней группы нагревательных элементов соединен трубопроводом через клапан с одним из патрубков входа газообразного кислорода в охладитель смеси отводимых газов, и патрубок выхода охлаждающего кислорода из последней по направлению потока рециркулирующего кислорода секции конденсатора соединен трубопроводом с другим патрубком входа газообразного кислорода в охладитель смеси отводимых газов.
Введение охладителя смеси отводимых газов позволит осуществить необходимый подогрев газообразного кислорода, полученного в системе ожижения двуокиси углерода, без использования воды и тем самым исключить возможность образования водяных ледяных пробок.
Расположение испарителя вертикально с движением газифицируемого кислорода снизу вверх определяет один и тот же уровень кипящего кислорода и равнозначное его изменение, вызванное изменением расхода жидкого кислорода, для всех нагревательных элементов, встроенных в испаритель по направлению движения газифицируемого кислорода. Это обеспечивает равномерное распределение теплоотвода между нагревательными элементами и между группами нагревательных элементов, объединенных общим патрубком входа и общим патрубком выхода греющего кислорода, независимо от величины расхода газифицируемого кислорода и мощности ЭУ, что устраняет первопричину образования углекислотных ледяных пробок.
Соединение патрубка входа и патрубка выхода греющего кислорода из каждой группы нагревательных элементов соответственно с патрубком выхода и патрубком входа охлаждающего кислорода в секцию конденсатора позволяет осуществить рециркуляцию газообразного кислорода между группами нагревательных элементов испарителя и секциями конденсатора с расходом, равным расходу жидкого кислорода. С изменением мощности ЭУ соответствующим образом меняются взаимосвязанные расходы смеси отводимых газов и жидкого кислорода, а следовательно, расход рециркулирующего кислорода и величина теплопереноса между конденсатором и испарителем.
Равенство теплоподвода в конденсаторе теплоотводу в испарителе, предусматриваемое проектно-конструкторской разработкой системы при заданных расходах смеси отводимых газов и жидкого кислорода, будет поддерживаться при изменении этих расходов (при изменении уровня мощности ЭУ) с некоторой корректировкой температур газифицированного кислорода и жидкой углекислоты.
Равенство теплоподвода в секции конденсатора теплоотводу в группе нагревательных элементов не зависит от числа секций конденсатора и групп нагревательных элементов испарителя. При фиксированном расходе рециркулирующего кислорода указанное равенство определит равнозначные температуры газифицированного кислорода после патрубка выхода его из испарителя, рециркулирующего кислорода после патрубка выхода греющего кислорода из группы нагревательных элементов и перед патрубком входа охлаждающего кислорода в секцию конденсатора, с одной стороны, и равнозначные температуры рециркулирующего кислорода после патрубка выхода охлаждающего кислорода из секции конденсатора и перед патрубком входа греющего кислорода в группу нагревательных элементов, с другой стороны. Меньшие значения будут иметь первые из отмеченных равнозначных температур. Использование предложенных конструктивной схемы испарителя жидкого кислорода и схемы рециркуляции полученного газообразного кислорода позволит после выполнения проектно-конструкторской разработки с определением необходимого числа секций конденсатора и групп нагревательных элементов создать систему сжижения двуокиси углерода из смеси отводимых газов, в которой температура газифицированного кислорода на выходе испарителя не будет меньше температуры образования твердой фазы двуокиси углерода (~217 К). Этим будет выполняться достаточное условие, исключающее образование углекислотных ледяных пробок в системе на эксплуатационных режимах ЭУ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема системы ожижения двуокиси углерода из смеси отведенных газов.
Здесь охладитель смеси отводимых газов 1, имеющий патрубки входа газообразного кислорода 2, по линии подачи смеси газов соединен через влагоотделитель 3 с компрессором газоотбора 4; охладитель 1 через распределительный трубопровод 5 соединен с секциями конденсатора двуокиси углерода 6, каждая из которых имеет патрубок входа охлаждающего кислорода 7, патрубок выхода охлаждающего кислорода 8 и по линии отвода жидкой углекислоты соединена через сепаратор неожиженных газов 9 со сборником жидкой углекислоты 10. Испаритель жидкого кислорода 11 со встроенными нагревательными элементами 12, разделенными на группы, каждая из которых по линии отвода рециркулирующего кислорода через патрубок выхода греющего кислорода 13 и патрубок входа охлаждающего кислорода 7 и по линии приема рециркулирующего кислорода через патрубок входа греющего кислорода 14 и патрубок выхода охлаждающего кислорода 8 соединена с секцией конденсатора 6, через патрубок выхода газифицированного кислорода 15, через патрубок входа охлаждающего кислорода 7 соединен с первой по ходу рециркулирующего кислорода секцией конденсатора 6. При этом последняя по ходу рециркулирующего кислорода группа нагревательных элементов 12 через патрубок выхода греющего кислорода 13, один из патрубков входа газообразного кислорода 2 соединена трубопроводом с клапаном с охладителем 1, и последняя по ходу рециркулирующего кислорода секция конденсатора 6 через патрубок выхода охлаждающего кислорода 8, другой патрубок входа газообразного кислорода 2 может быть соединена с охладителем 1 посредством трубопровода с клапаном.
Система работает следующим образом.
Смесь газов, содержащая по массе более 90% двуокиси углерода, образующейся в результате энергогенерирующей реакции углеводородного горючего и кислорода, компрессором 4 направляется через влагоотделитель 3 в охладитель 1. Во влагоотделителе 3 содержание воды и масла в смеси газов уменьшается до технически возможного уровня.
Уменьшение температуры смеси отводимых газов без изменения физического состояния ее компонентов осуществляется в охладителе 1 путем передачи тепла встречному потоку газообразного кислорода, подаваемого для работы ЭУ.
Через распределительный трубопровод 5 смесь отводимых газов поступает в секции конденсатора 6, которые идентичны по теплопередающей способности и гидравлическому сопротивлению. Передавая тепло газообразному кислороду, который рециркулирует между секциями конденсатора 6 и группами нагревательных элементов 12 испарителя 11, смесь отводимых газов охлаждается до температуры, которая ниже температуры насыщения двуокиси углерода при давлении, создаваемом компрессором 4. Двуокись углерода конденсируется и поток жидкой углекислоты, поступающей из всех секций конденсатора 6, через сепаратор неожиженных газов 9 направляется в сборник 10.
Жидкий кислород, поступающий в вертикально расположенный испаритель 11, поднимается между нагревательными элементами 12. Он подогревается до температуры насыщения, испаряется и перегревается за счет тепла от встречного потока газообразного кислорода, который движется по внутреннему сечению нагревательных элементов 12, встроенных в испаритель 11 вертикально от сечения входа до сечения выхода газифицируемого кислорода. Уровень испаряемого кислорода, как и теплоотвод для всех нагревательных элементов 12 один и тот же.
Перегретый кислород через патрубок 15, патрубок 7 поступает в первую по направлению движения рециркулирующего кислорода секцию конденсатора 6. Нагревшись от охлаждаемой смеси газов, рециркулирующий кислород через патрубок 8, патрубок 14 направляется в первую по своему ходу группу нагревательных элементов 12, где передает газифицируемому кислороду тепло, полученное в секции конденсатора 6. Из первой группы нагревательных элементов 12 рециркулирующий кислород поступает через патрубки 13, 7 в следующую по направлению движения секцию конденсатора 6. Таким образом газообразный кислород, полученный в системе и рециркулирующий между секциями конденсатора 6 и группами нагревательных элементов 12 испарителя 11, выполняет функцию промежуточного теплоносителя между охлаждаемой смесью отводимых газов и испаряемым кислородом.
В охладитель смеси отводимых газов 1 газообразный кислород приходит через патрубок 13 и один из патрубков 2 по трубопроводу с клапаном из последней по направлению движения рециркулирующего кислорода группы нагревательных элементов 12. В случае, когда целесообразно и возможно снизить температуру газифицированного кислорода после патрубка 15 и одновременно повысить температуру газообразного кислорода перед патрубком 2, газообразный кислород приходит в охладитель 1 через патрубок 8 и другой патрубок 2 по трубопроводу с клапаном. При этом клапан на трубопроводе, соединяющем патрубок 13 и патрубок 2, закрыт.
Результаты расчетов тепловых балансов по процессам охлаждения смеси газов, отводимых из ЭУ после снижения их температуры в конденсаторе-охладителе отработавших газов с отделением конденсата водяных паров, с передачей тепла газифицируемому кислороду, подаваемому для работы ЭУ, подтверждают принципиальную возможность ожижения двуокиси углерода при давлениях до 2 МПа для широкого спектра углеводородных горючих от метана до дизельного горючего. Проведенные проектно-исследовательские проработки ЭУ с ДВС замкнутого цикла показали, что по массогабаритным характеристикам основного оборудования, по затратам мощности на отвод образующихся газов рассмотренный вариант системы ожижения двуокиси углерода удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ЭУ подводных аппаратов.