ГАЗОДИЗЕЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к областям двигателестроения, судостроения, энергетики и экологии.
Она может быть использована для создания экономичных и экологически чистых судовых силовых установок, стационарных энергетических станций и установок по переработке промышленных и бытовых отходов.
Известны энергетические дизельные установки, работающие на жидких углеводородных топливах [1].
Недостатком их является низкая экономичность и повышенная токсичность выпускных газов. Топливовоздушные смеси дизельных двигателей гетерогенны /неоднородны/, и отношение воздуха к топливу может изменяться от чистого воздуха, располагаемого за периферией струи распыла топлива, до чистого топлива в средней части этой струи. Смесеобразование продолжается и во время процесса сгорания. Это ведет к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к повышенному расходу топлива и увеличению токсичности выхлопных газов. Особенно это проявляется при использовании менее дорогих высоковязких тяжелых топлив типа мазутов. Скорость испарения этих топлив пониженная. Кроме того, для качественного распыла высоковязких топлив требуется или их подогрев, или разбавление менее вязким дизельным топливом или создание водотопливных эмульсий. Но все эти возможности ограничены верхним пределом вязкости, выше которого они уже не эффективны. Кроме того, наличие воды в эмульгированном топливе, подаваемом непосредственно в рабочие цилиндры двигателей, вызывает отложение солей на поверхностях трущихся деталей двигателей, что снижает надежность работы. Применение же дисциллированной воды увеличивает эксплуатационные расходы.
Отмеченные недостатки дизельных двигателей сохраняются и в свете нового открытия о характере процессов, происходящих в рабочем цилиндре двигателя, тождественном состоянию низкотемпературной плазмы [2]. Какое либо регулирующее воздействие на эти процессы ограничено кратковременностью периода впрыска жидкого топлива, когда оно газифицируется перед началом горения.
3
Для снижения токсичности выхлопных газов часто применяют специальные фильтры. Но они очень дорогие и требуют постоянного, так же дорогого обслуживания с использованием сменных химических реагентов. Кроме того, этими фильтрами не очищаются парниковые газы, например, углекислый газ. А только один дизель мощностью 1 МВт выбрасывает в атмосферу более 3 нм/ч углекислого газа.
Более экономичными и экологически чистыми являются известные энергетические установки с газовыми двигателями с принудительным электрозажиганием или запальным поджигом минимального количества жидкого топлива [3, 4, 5, 6].
Объясняется это тем, что газовое топливо и воздух, имея одинаковое агрегатное состояние, при раздельной подаче в рабочий цилиндр двигателя, образуют в нем гомогенную /однородную/ смесь, которая сгорает более полно и быстрее. При этом отсутствуют трудности в обеспечении подачи газовоздушной смеси в рабочие цилиндры двигателя, присущие жидкому топливу с его повышенной вязкостью.
Недостатком установок с газовыми двигателями являются их ограниченные функциональные возможности. Подвод трубопроводного природного газа на судно или любое другое транспортное средство невозможен. Использование на транспортном средстве природного газа возможно только в сжатом или сжиженном состоянии. Но это сопряжено с дополнительными расходами на сжатие или сжижение газа. Повышенная пожаро- и взрывоопасность газового топлива требует обеспечения соответствующих дорогостоящих газовых емкостей и средств безопасности. Любой резервуар со сжиженным или сжатым газом является потенциально взрывоопасным. Сложно и дорого так же наладить необходимую систему бункеровки газовым топливом на всех судоходных маршрутах мира и других транспортных линиях. На флоте газовые двигатели применяются в основном на судах газовозах. Там уже все принятые меры по обеспечению взрывной и пожарной безопасности обусловлены самим газовым грузом.
Аналогичными недостатками обладают и установки с газовыми двигателями, работающими на синтетических генераторных газах, получаемых в результате газификации твердых топлив или жидких углеводородов, в том числе мазутов. В известных энергетических установках проблемы повышения экономичности и улучшения экологии решаются только на стадии газификации топлива, а энергогенерирующий двигатель рассматривают только как потребитель этого газового топлива. В частности, получаемый, например, в результате электролиза воды, кислород используется как кислородное дутье в газификаторе [7].
В качестве прототипа принимаем газодизельную энергетическую установку, содержащую газодизельный двигатель с системой подачи жидкого и газового топлива и устройством впрыска в цилиндры минимального количества жидкого запального топлива, выпускную и всасывающую трубы, соединенные с атмосферой, работающий на природном сжатом или сжиженном газе [5].
Недостатком прототипа является ограниченность его функциональных способностей, так как он может работать только на природном газе, а также недостаточно высокая экономичность и низкая экологическая безопасность.
Целью предполагаемой полезной модели является расширение функциональных способностей, улучшение экономичности и повышение экологической безопасности.
Указанная цель достигается тем, что в установку введен плазменный реактор, вход которого подключен трубопроводами к выпускному коллектору газодизельного двигателя и к водомазутному эмульгатору системы подачи жидкого топлива, а выход подключен через водяной охладитель к системе подачи газового топлива в двигатель, причем в плазменном реакторе установлен контур рециркуляции газотопливной смеси с электровентилятором, вход которого подключен к выходной части реактора, а выход подключен к входной части реактора.
Предусматривается вариант подключения к системе подогрева мазутного топлива в бункерной емкости и в расходном баке отвода воды от водяного охладителя.
В результате в предлагаемом газодизельном двигателе, запущенном и работающем, первоначально на легком дизельном топливе, отработанные газы через выпускной коллектор направляются в плазменный реактор, где в процессе движения газов с помощью электровентилятора, за счет трения и столкновения молекул плазмообразующего газа, происходят искровые разряды, с образованием низкотемпературной плазмы, жидкое топливо, в виде водомазутной эмульсии, так же направляется в реактор, где в плазменной струе преобразуется в высококалорийный синтетический газ, который, проходя через водяной теплообменник, путем охлаждения «закаляется», и через штатные газовпускные клапаны подается в рабочие цилиндры двигателя.
Отвод тепла от теплообменника, охлаждающего синтетический газ, на подогрев тяжелого топлива в бункерной емкости и в расходном баке дополнительно повышает экономичность установки..
Таким образом, исходным топливом для предлагаемой установки является удобное для транспортировки и хранения, тяжелое жидкое топливо, типа котельных мазутов, превращаемое в синтетическое газовое топливо, которое и подается в рабочие цилиндры двигателя, одновременно с атмосферным воздухом. В отличие от прототипа, повышенное содержание воды в эмульсии, и высокая вязкость жидкого топлива, не приводит к проблемам качественного и надежного впрыска топлива, имеющего повышенный цикловой объем эмульсии, так как эмульсия впрыскивается не в рабочие цилиндры двигателя, а в реактор, одновременно туда же подаются выпускные газы двигателя. Кислорода и синтез газа вырабатывается столько, сколько необходимо для работы двигателя в текущий момент времени, поэтому никаких накопительных емкостей не предусматривается.
На рисунке приведена блок-схема предлагаемой газодизельной энергетической установки.
Она состоит из двигателя 1 с топливоподкачивающим насосом 2, регулятором скорости 3 и турбонагнетателем 4. Патрубок выпускного коллектора двигателя подключен к плазменному реактору 5, с электровентилятором 6. Выход из реактора через водяной охладитель 7 подключен к штатным газовпускным клапанам двигателя. Бункер легкого дизельного топлива 8, подключен к расходному баку дизельного топлива 9, а бункер мазутного тяжелого топлива 10 подключен к расходному баку мазутного топлива 11 и далее посредством топливоподкачивающего насоса 12, и через эмульгатор 13 с дросселем 14 подключен к входу плазменного реактора 5. Выходной водяной канал охладителя 7 подключен к входам бункера 10 и расходного бака 11 тяжелого топлива. На выходе смеси из охладителя 7 установлены датчик кислорода 15 и предохранительный клапан 16. На всасывающем коллекторе двигателя установлена заслонка 17, а на выпускном коллекторе установлена заслонка 18. На входном топливном канале реактора 5 установлен регулирующий орган 19 регулятора скорости 3. На входе воды в эмульгатор 13 расположен дроссель 20.
Работает устройство следующим образом.
Запуск двигателя и его прогрев осуществляется на дизельном топливе, хранящемся в бункерной емкости 8 и расходном баке 9. На этом же топливе осуществляется постоянно действующий запальный поджиг в цилиндрах двигателя. Топливо подается навешенным на двигатель топливоподкачивающим насосом 2. Часть выпускныхе газов из коллектора поступает в реактор 5. Заслонкой 18 частично перекрывается выход выпускных газов в атмосферу, а заслонкой 17 регулируется поток атмосферного воздуха. Датчик кислорода 16 используется для регулировки системы в целом.
Одновременно в реактор 5 подается водотопливная эмульсия из бункера 10 и расходного бака 11 насосом 12. Тяжелое топливо, подогревается за счет тепла, отводимого от охладителя 7. Синтетический газ получается более калорийный, чем обычный природный газ. При этом из смеси более интенсивно выделяются вредные примеси в виде твердых фракций, которые по известным способам, например при помощи центробежных циклонов, отделяются от газов и выводятся наружу. Количество подаваемого топливного мазута в зависимости от внешней нагрузки на двигатель регулируется автоматически электронным регулятором скорости 3 с его регулирующим органом 20.
Из реактора 5 газовая топливная смесь проходит через теплообменник 7, где охлаждается, примерно, до 70°С, приобретая так называемую «закалку», и направляется к штатным газовпускным клапанам двигателя. Так же в цилиндры через штатные газораспределительные клапаны подается, посредством навешенного на двигатель турбонагнетателя 4 атмосферный воздух.
В установившемся режиме работы подогрев мазута в бункерных и расходных емкостях осуществляется за счет горячей воды, поступающей из теплообменника 7 охлаждения синтетического газа.
Таким образом, указанные цели по повышению экономичности и улучшению экологии, достигаются за счет более полного сгорания углеводородного топлива, которое из исходного жидкого состояния генерируется в газообразное состояние. Кроме того, в плазменном реакторе вырабатывается синтетический газ, имеющий теплотворную способность выше, чем природный газ.
Нужно так же учесть, что при впрыске в цилиндры жидкого вязкого топлива имели бы место энергозатраты на впрыск топлива под большим давлением, а так же затраты на более тщательную фильтрацию жидкого топлива. Все это компенсирует введенный нами в предлагаемую установку энергозатратный вентилятор в реакторе. В остальных элементах предложенная полезная модель равноценна по энергозатратам с обычными установками с дизельными двигателями, работающими на мазутных топливах.
Расширение функциональных возможностей обосновывается тем, что по предлагаемому способу газодизель, используя, в качестве исходного, жидкое топливо, работает в режиме газового двигателя, сохраняя все преимущества работы на газовом топливе. Это особенно важно для транспортных двигателей, где трубопроводный природный газ использовать невозможно, а использование сжатого или сжиженного газа сопровождается ростом капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с требованиями пожарной безопасности и трудностями с транспортировкой газа. В то же время, он без особо сложных перенастроек, способен работать как на жидком исходном топливе, так и на природном газе, в зависимости от наличия у потребителя того или иного топлива в текущий момент времени.
Используемые источники информации:
1. Ваншейдт В.А. Справочник по дизелям, 1964
2. Лебедев О.Н., Юр Г.С. Явление газификации жидкого углеводородного топлива в объеме газовой среды., Диплом №227 на научное открытие, М., 17.03.2003.
3. Генкин К.И. Газовые двигатели. Машгиз, 1962, 116 с.
4. Гайдулин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев и др., Природный газ как моторное топливо на транспорте, М., Недра, 1986., 255 с.
5. Лисицын Е.Б. Повышение эффективности использования газового топлива в газодизельных двигателях, Газовая промышленность, 2009 г., №2, 48-51 с.
6. Галыш Ю.В. Применение водорода в качестве моторного топлива. Турбины и дизели, май-июнь 2007, с. 8-12. 6.
7. Рыжков А.Ф. Развитие технологического горения в энергетических установках. Сборник научных статей. Современная наука. №1/3, 2010.
8. Малыхин Д.Г., Загрутдинов Р.Ш., Сеначин П.К. Определение оптимального содержания кислорода в дутье газогенераторов плотного слоя., 8-я Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СЩ РАН 13-15 ноября 2012.
9. Романов А.А., Романов В.А., Активатор жидкости многопучковый, Патент на изобретение №2466779 от 16.02.2011.