Энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой
ENERGY-COOLING SYSTEM FOR SPECIAL FORTIFICATION, FUNCTIONING WITHOUT CONNECTION TO ATMOSPHERE

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в качестве энергохолодильной системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например для специальных фортификационных сооружений.
Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (двигателя) и преобразователя обратного цикла (холодильной машины), предназначенных для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем двигатель служит для получения электрической энергии, а холодильная машина - для получения холода. Для нормального функционирования двигателя и холодильной машины от них необходимо отводить тепло (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой, это низкопотенциальное тепло должно аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (TAB), в качестве которого выступает вода, при температуре около +4°С, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для хранения холодной воды и воды аккумулировавшей тепло от двигателя и холодильной машины. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение двигателя и холодильной машины позволяет сократить потребление TAB, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники двигателя и холодильной машины, однако и в этом случае запасы TAB составляют значительный процент от объема объекта в целом (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992. - 240 с).
Известны структурные решения теплоотведения от энергосистемы с автономной электростанцией на основе газовой турбины, с целью обеспечения минимального удельного расхода охлаждающей жидкости. Это требование имеет решающее значение как для установок, размещенных в районах с острым дефицитом охлаждающей жидкости, так и для автономных систем, не допускающих использование внешних источников для отвода остаточного тепла (Солдатов В.А. Термодинамический анализ параметров изолированной энергосистемы с минимальным потреблением хладоагента на основе газотурбинной схемы преобразования энергии. М., 1988 - С. 25-37.).
Однако из данного источника не ясно как решается вопрос снятия тепловой нагрузки с потребителей, используется ли пассивная или активная система теплоотведения внутри объекта.
Известна принципиальная схема энергохолодильной системы для специального фортификационного сооружения, содержащая автономную электростанцию на основе дизеля замкнутого цикла на синтез-газе и холодильной машины (машину Вюлемье-Такониса), работа которой осуществляется за счет отработавших газов дизеля, а также емкость с окислителем (жидким кислородом) (Патент РФ №2088864, опубл. от 27.08.97, Бюл. №24). Однако, работа дизеля на синтез-газе с внешним смесеобразованием приводит к снижению КПД.
Известна автономная (работающая без потребления атмосферного воздуха) энергетическая установка, включающая в себя двигатель (двигатель Стерлинга), емкости для хранения горючего (дизельного топлива) и окислителя (жидкого кислорода), причем емкость с окислителем выполнена в виде теплоизолированного бака, обеспечивающим минимальный уровень поглощения тепла от окружающей среды (Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С-Пб., "Судостроение", 1994. - стр. 216-217).
Недостатком данного технического решения является то, что в процессе работы установки образуются отработанные газы, состоящие в основном из различных окислов, которые необходимо удалять из объекта, что приводит к демаскирующему эффекту.
Известны способы мокрой очистки отходящих газов горения (СНиП2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Пособие по проектированию. - М.: ЦИТП Госстроя СССР №1990, дата введения 1984.07.15, дата актуализации теста документа 2008-10-01).
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей - это образование больших объемов жидких химически грязных отходов. Поэтому если не предусмотрена система хранения жидких отходов, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т.е. из атмосферы в водоемы.
Известны способы мокрой очистки отходящих газов горения, в которых вода используется для отделения дисперсной или газообразной примеси от отработанных газа, при этом улавливаются аэрозоли и хорошо растворимые в воде газы. Простейшими аппаратами для мокрой очистки являются контактные теплообменники (например, скрубберы) - полые вертикальные колонны круглого или прямоугольного сечения. Колонна орошается водой, которая разбрызгивается через форсунки, обеспечивая хороший массообмен между очищаемым газом и жидкостью (Патент РФ №2475295, опубл. от 20.02.2013, Бюл. №5).
Известна автономная энергохолодильная система специального фортификационного сооружения, предназначенная для работы в режиме полной изоляции, содержащая автономную электростанцию, включающую в себя двигатель и электрогенератор, холодильную машину, систему кондиционирования воздуха специального фортификационного сооружения, связанную с холодильной машиной контуром теплоносителя с насосом, емкость с горючим и линию подачи горючего в двигатель автономной электростанции, емкость с окислителем (кислородом) и линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, хранилище технической воды, из которого техническая вода подается по трубопроводам для охлаждения двигателя автономной электростанции и холодильной машины, при этом хранилище технической воды расположено в нижней части специального фортификационного сооружения (Патент РФ №2620698, опубл. от 29.05.2017, Бюл. №16).
Однако в данном техническом решении не решена проблема сбора и утилизации внутри специального фортификационного сооружения отработанных газов двигателя автономной электростанции в режиме полной изоляции, исключающей выброс отработанных газов за пределы СФС, а также недостатком является низкая эффективность использования холодильного потенциала технической воды в виду отсутствия возможности регулирования и перенаправления потоков воды, идущих на охлаждения холодильной машины и двигателя автономной электростанции.
Известно устройство каталитического очистителя выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от токсичных веществ, содержащий корпус с патрубками для входа и выхода выхлопных газов, внутри которого размещен пакет каталитических элементов, при этом последние выполнены из пористых металлов со сквозными порами и каталитически активным покрытием, а каталитические элементы выполнены из металлов: никеля, кобальта, меди, железа, хрома или их сплавов. Использование пористого металла в качестве носителя катализатора позволяет улучшить эксплуатационные свойства очистителя, в частности обеспечить эффективную очистку выхлопных газов в широком диапазоне рабочих режимов ЛВС (Патент РФ №2107171, опубл. от 20.03.1998 г.).
Известна энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой, содержащая автономную электростанцию, включающую в себя двигатель, в виде дизеля замкнутого цикла, и электрогенератор, холодильную машину, емкость с горючим и линию подачи горючего в двигатель автономной электростанции, емкость с окислителем (кислородом) и линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, хранилище холодной технической воды, хранилище нагретой технической воды, при этом техническая вода из хранилища холодной технической воды подается по трубопроводам последовательно для охлаждения холодильной машины и двигателя автономной электростанции, а после охлаждения двигателя автономной электростанции по трубопроводу сливается в хранилище нагретой технической воды (Патент РФ №2176055, опубл. от 20.11.2001 Бюл. №32).
Однако, данное техническое решение имеет сложное технологическое и взрывоопасное оборудование с применением щелочноземельного металла для использования отработанных газов двигателя в качестве искусственной газовой среды для дизеля замкнутого цикла, а также неэффективное регулирование расхода технической воды для охлаждения двигателя автономной электростанции при изменении его мощности вследствие жесткой связи трубопровода технической воды между системами охлаждения холодильной машины и двигателя автономной электростанции.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности регулирования расхода технической воды для охлаждения двигателя автономной электростанции, а также повышения качества очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции для их повторного использования в качестве дополнительного компонента к окислителю.
Для достижения данного технического результата энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой, содержащая автономную электростанцию, включающую в себя двигатель, в виде дизеля замкнутого цикла, и электрогенератор, холодильную машину, емкость с горючим и линию подачи горючего в двигатель автономной электростанции, емкость с окислителем и линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, хранилище чистой холодной технической воды, хранилище нагретой технической воды, при этом техническая вода из хранилища холодной технической воды подается по трубопроводам последовательно для охлаждения холодильной машины и двигателя автономной электростанции, а после охлаждения двигателя автономной электростанции по трубопроводу сливается в хранилище нагретой технической воды, согласно изобретения, хранилища чистой холодной технической воды и нагретой технической воды выполнены в виде отдельных теплоизолированных железобетонных резервуаров, и снабжена линией подачи воды с циркуляционным насосом из хранилища чистой холодной технической воды, разделяющейся после циркуляционного насоса на два трубопровода, один из которых, трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, другой, трубопровод, идущий в промежуточную емкость, на каждом из этих трубопроводов установлены регулируемые вентили, при этом трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, после выхода из холодильной машины соединен с промежуточной емкостью, линией подачи технической воды с циркуляционным насосом из промежуточной емкости в двигатель автономной электростанции для его охлаждения, контактным теплообменником для очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции технической водой, линией подачи отработанных газов от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник с расположенным на ней каталитическим очистителем отработанных газов, линией подачи нагретой технической воды от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линией слива нагретой грязной технической воды с циркуляционным насосом из контактного теплообменника в хранилище нагретой технической воды, а также линией подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, при этом линия подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника снабжена фильтром осушителем и компрессором.
Введение в состав энергохолодильной системы для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой, хранилищ чистой холодной технической воды и нагретой технической воды, выполненных в виде отдельных теплоизолированных железобетонных резервуаров, линии подачи воды с циркуляционным насосом из хранилища холодной технической воды, разделяющейся после циркуляционного насоса на два трубопровода, один из которых, трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, другой, трубопровод, идущий в промежуточную емкость, на каждом из этих трубопроводов установлены регулируемые вентили, при этом трубопровод, идущий на охлаждение холодильной машины, после выхода из холодильной машины соединен с промежуточной емкостью, линии подачи технической воды с циркуляционным насосом из промежуточной емкости в двигатель автономной электростанции для его охлаждения, контактного теплообменника для очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции технической водой, линии подачи отработанных газов от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник с расположенным на ней каталитическим очистителем отработанных газов, линии подачи нагретой технической воды от двигателя автономной электростанции в контактный теплообменник, линии слива нагретой грязной технической воды из контактного теплообменника в хранилище нагретой технической воды с циркуляционным насосом, а также линии подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника в линию подачи окислителя в двигатель автономной электростанции, при этом линия подачи очищенных отработанных газов из контактного теплообменника снабжена фильтром осушителем и компрессором, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности подачи части холодной воды для охлаждения холодильной машины, а затем, ее сброс в промежуточную емкость из которой осуществляется подача воды на охлаждение двигателя автономной электростанции дополнительно к технической воде, подаваемой непосредственно из хранилища холодной воды через промежуточную емкость, что обеспечивает повышение эффективности регулирования расхода технической воды для охлаждения двигателя автономной электростанции, а применение комбинированной очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции, состоящей из каталитической очистки в каталитическом очистителе отработанных газов и последующей очистки газов за счет контакта с нагретой технической водой в контактном теплообменнике, что обеспечивает возможность повышения качества очистки отработанных газов двигателя автономной электростанции от вредных компонентов, окислов, сажи, золы и других несгоревших частиц топлива для повторного использования очищенных отработанных газов в качестве дополнительного компонента к окислителю.
На фиг. 1 изображена энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой. Энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой, размещена в подземном специальном фортификационном сооружении 1 и содержит автономную электростанцию, включающую двигатель 2 и электрогенератор (на рис. не показан), холодильную машину 3, емкость с горючим 4 и емкость с окислителем 5, хранилище чистой холодной технической воды 6, выполненное в виде теплоизолированного железобетонного резервуара, и хранилище нагретой технической воды 7, выполненное в виде теплоизолированного железобетонного резервуара.
Хранилище чистой холодной технической воды 6 и хранилище нагретой технической воды 7 расположены внутри специального фортификационного сооружения 1.
В состав автономной энергохолодильной системы также входит линия подачи воды 8 с циркуляционным насосом 9 из хранилища чистой холодной технической воды 6, разделяющаяся после циркуляционного насоса 9 на два трубопровода, один из которых, трубопровод 10 идет на охлаждение холодильной машины 3, другой, трубопровод 11 идет в промежуточную емкость 12, при этом трубопровод 10 после выхода из холодильной машины 3 соединяется с промежуточной емкостью 12, а также линии подачи технической воды 13 с циркуляционным насосом 14 из промежуточной емкости 12 в двигатель 2 автономной электростанции для его охлаждения. На трубопроводах 10 и 11 установлены регулируемые вентили, соответственно, 15 и 16.
В состав автономной энергохолодильной системы также входит контактный теплообменник 17, предназначенный для очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции технической водой. В контактный теплообменник 17 входит линия подачи отработанных газов 18 от двигателя 2 автономной электростанции с расположенным на ней каталитическим очистителем отработанных газов 19, а также линия подачи нагретой технической воды 20 от двигателя 2 автономной электростанции. Из контактного теплообменника 17 выходит линия слива нагретой грязной технической воды 21 с циркуляционным насосом 22, по которой производят сброс грязной воды из контактного теплообменника 17 в хранилище нагретой технической воды 7, а также линия подачи очищенных отработанных газов 23, которая присоединяется к линии подачи окислителя 24 через фильтр осушитель 25 и компрессор 26.
Горючее поступает из емкости с горючим 4 в двигателе 2 автономной электростанции по линии подачи горючего 27.
Автономная энергохолодильная система для специального фортификационного сооружения, функционирующего без связи с атмосферой, функционирует следующим образом.
В повседневном режиме эксплуатации специального фортификационного сооружения 1 все системы жизнеобеспечения и технологическое оборудование работают за счет электроснабжения от внешней централизованной сети.
При применении вероятным противником высокоточного оружия, внешнее электроснабжение и подача атмосферного воздуха в специальное фортификационное сооружение 1 может быть прекращено из-за разрушений вокруг сооружения 1. В этом случае специальное фортификационное сооружение 1 начинает работать без связи с атмосферным воздухом за счет энергохолодильной системы (то есть в режиме полной изоляции), и запасов материальных сред (горючего, окислителя и технической воды), заблаговременно запасенных внутри специального фортификационного сооружения 1.
В режиме полной изоляции энергоснабжение специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой двигателя 2 автономной электростанции.
Для обеспечения работы двигателя 2 автономной электростанции 2 в режиме полной изоляции, в двигатель 2 по линиям 24 и 27 подаются, соответственно, окислитель и горючие из емкостей 5 и 4, соответственно.
В режиме полной изоляции термостатирование специального фортификационного сооружения 1 обеспечивается работой холодильной машины 3, связанной с системой кондиционирования воздуха СФС (на рис. не показана).
Для нормального функционирования двигателя 2 и холодильной машины 3 по линии подачи воды 8 циркуляционным насосом 9 обеспечивается подача технической воды из хранилища чистой холодной технической воды 6. При этом линии подачи воды 8 после циркуляционного насоса 9 разделяется на два трубопровода, один из которых, трубопровод 10 идет на охлаждение холодильной машины 3, другой, трубопровод 11 идет в промежуточную емкость 12, при этом трубопровод 10 после выхода из холодильной машины 3 соединяется с промежуточной емкостью 12. На трубопроводах 10 и 11 установлены регулируемые вентили, соответственно, 15 и 16.
Такое разделение линии подачи воды 8 дает возможность использования воды, идущей на охлаждения холодильной машины 3, в дальнейшем для охлаждения двигателя 2 автономной электростанции, которое осуществляется за счет линии подачи технической воды 13 с циркуляционным насосом 14 из промежуточной емкости 12 в двигатель 2 автономной электростанции.
Данное обстоятельство обусловлено тем, что в конденсаторе холодильной машины 3, согласно второго закона термодинамики, охлаждающая техническая вода нагревается до температуры не более 30°С, а в двигатель 2 автономной электростанции (например, дизель) охлаждающая вода может подаваться с температурой до 80°С, то есть имеется возможность использования холодильного потенциала воды после охлаждения холодильной машины 3. Такая схема подачи воды, а также использование регулируемых вентилей 15 и 16, позволяет регулировать потоки воды через трубопроводы 10 и 11 через промежуточную емкость 12, что обеспечивает повышение эффективности регулирования расхода технической воды для охлаждения двигателя 2 автономной электростанции из хранилища холодной технической воды 6.
Контактный теплообменник 17 предназначен для очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции технической водой. Для этого в контактный теплообменник 17 входит линия подачи отработанных газов 18 от двигателя 2 автономной электростанции и линия подачи нагретой технической воды 20 от двигателя 2 автономной электростанции.
Перед поступлением в контактный теплообменник 17 отработанные газы из двигателя 2 поступают в каталитический очиститель отработанных газов 19. Отработанные газы с температурой от 500-800°С поступают в каталитический очиститель отработанных газов 19 и проходят через каталитические элементы (на рис. не показаны), которые нагреваются до той же температуры, что обеспечивает протекание на их поверхности окислительно-восстановительных процессов в отработанных газах, приводящих к их очистке от части токсичных компонентов, после этого отработанные газы поступают в контактный теплообменник 17.
В контактном теплообменнике 17 происходит контакт уже частично очищенных отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции с теплой технической водой, поступающей из двигателя 2 автономной электростанции по линии 20.
Применение комбинированной очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции, состоящей из каталитической очистки в каталитическом очистителе отработанных газов 19 и последующей очистки газов за счет контакта с нагретой технической водой в контактном теплообменнике 17, что обеспечивает возможность повышения качества очистки отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции от вредных компонентов, окислов, сажи, золы и других несгоревших частиц топлива для повторного использования очищенных отработанных газов в качестве дополнительного компонента к окислителю.
Из контактного теплообменника 17 выходит линия слива теплой химически грязной технической воды 21, по которой насосом 22 производят сброс грязной воды из контактного теплообменника 17 в хранилище нагретой (и грязной) технической воды 7.
Очистка отработанных газов позволяет использовать очищенные отработанные газы в качестве добавки к окислителю, для этого по линии подачи очищенных отработанных газов 23 очищенные отработанные газы подаются в линии подачи окислителя 24 через фильтр осушитель 25 и компрессор 26. Применение компрессора 26 обеспечивает надежную подачу очищенных газов из контактного теплообменника 17 и фильтр осушитель 25 в линии подачи окислителя 24.
Горючее поступает из емкости с горючим 4 в двигатель 2 автономной электростанции по линии подачи горючего 27.
Включение в состав энергохолодильной системы каталитического очистителя отработанных газов 19 и контактного теплообменника 17 позволяет использовать очищенные отработанные газы в качестве добавки к окислителю и приводит к сбору и утилизации внутри специального фортификационного сооружения 1 отработанных газов двигателя 2 автономной электростанции, исключающих выброс отработанных газов за пределы специального фортификационного сооружения при работе СФС без связи с атмосферой (в режиме полной изоляции).
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992. - 240 с.
2. Солдатов В.А. Термодинамический анализ параметров изолированной энергосистемы с минимальным потреблением хладоагента на основе газотурбинной схемы преобразования энергии. М., 1988 - С. 25-37.
3. Патент РФ №2088864, опубл. от 27.08.97, Бюл. №24.
4. Батырев А.Н., Кошеверов В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. С-Пб., "Судостроение", 1994. - стр. 216-217.
5. СНиП2.01.28-85. Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Пособие по проектированию. - М.: ЦИТП Госстроя СССР №1990, дата введения 1984.07.15, дата актуализации теста документа 2008-10-01.
6. Патент РФ №2475295, опубл. от 20.02.2013, Бюл. №5.
7. Патент РФ №2620698, опубл. от 29.05.2017, Бюл. №16.
8. Патент РФ №2107171, опубл. от 20.03.1998 г.
9. Патент РФ №2176055, опубл. от 20.11.2001 Бюл. №32 - прототип.