СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к работе двигателя внутреннего сгорания по специальному циклу, и может быть применена на резервных дизель-электрических станциях метрополитена, на объектах гражданской защиты и других подобных объектах.
Известен дизельный двигатель с замкнутым газовым трактом, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, снабженный впускным и выпускным каналами, первый из которых подключен к выходному участку газового тракта, а второй - к его входному участку, смеситель, размещенный на выходном участке газового тракта, источник кислорода, выполненный в виде химического реактора, снабженного механизмом подачи реагента, связанный со смесителем при помощи отводящего трубопровода, снабженного вентилем регулирования расхода, поглотитель двуокиси углерода, установленный во входном участке газового тракта, отделитель влаги, размещенный в выходном участке газового тракта, блок управления, связанный выходом с вентилем регулирования расхода, и датчик концентрации кислорода в выходном участке газового тракта, связанный с входом блока управления… (Патент SU №1537853, кл. F02B 47/10, опубл. 23.01.1990).
2
Недостатком аналога является то, что нейтрализация двуокиси углерода СО производится в поглотителе посредством жидкой щелочи, а получение кислорода в химическом реакторе образуется при контакте порошкообразного реагента-кислородоносителя с водой (так называемый «мокрый цикл»). При использовании надперекиси и перекиси натрия химические реакции при этом описываются следующими формулами:
2
2
3
2
2NaOH+CO→NaCO+HO+Q,
2
2
2
4NaO+2HO→4NaOH+3O+Q,
2
2
2
2
2NaO+2HO→4NaOH+O+Q.
2
2
В процессе нейтрализации CO и выделения O образуются жидкие продукты реакций - кристаллогидраты с включением сажи, альдегидов и смолистых соединений, присутствующих в отработавших газах, и концентрированный раствор щелочи. Существует необходимость в специальной емкости для хранения продуктов реакций, а также циркуляционном насосе для их перекачки, что усложняет конструкцию и эксплуатацию установки. Кроме этого, продукты реакций необходимо периодически утилизировать или подвергать регенерации, а также существует возможность осаждения и «зарастания» ими рабочих пространств реакционных аппаратов и трудности в обслуживании, что снижает эффективность, надежность и экологичность эксплуатации установки по данному способу. При переходе от экспериментальных установок к масштабам промышленного производства и увеличении объемов получаемых жидких продуктов реакций возникает проблема обращения с ними. В этом заключается один из основных недостатков «мокрого цикла», затрудняющий его промышленную применимость.
Известен способ работы силовой установки с двигателем внутреннего сгорания путем смешивания в смесителе воздуха, топлива и отработавших газов, добавки в смеситель газообразного кислорода в количестве, соответствующем массовому содержанию кислорода в полученной смеси не менее 23,2%, и подачи полученной смеси в двигатель, причем добавочный газообразный кислород получают путем обогрева отработавшими газами источника получения кислорода, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов силовой установки газообразный кислород получают термическим разложением надперекиси натрия, а образовавшиеся в результате реакции продукты разложения делят: газообразный кислород подают в смеситель, а перекись натрия подмешивают к отработавшим газам, при этом образовавшиеся в результате химической реакции от смешения отработавших газов с перекисью натрия твердые продукты отделяют в сепараторе, а газообразные пропускают через слой воды, после чего из части образовавшейся смеси отделяют влагу и подают в смеситель в качестве отработавших газов (патент SU №1270387, кл. F02B 47/10, опубл. 15.11.1986).
В качестве прототипа принята силовая установка с двигателем внутреннего сгорания, работающая по названному способу, содержащая двигатель внутреннего сгорания, герметичный бункер хранения надперекиси натрия, дозатор, источник получения газообразного кислорода, регулятор перепуска отработавших газов, эжектор, сепаратор, накопитель твердых продуктов реакции, водоконтактный охладитель, резервуар запаса воды, регулятор выпуска отработавших газов в атмосферу, влагоотделитель, бак сбора влаги, запорные вентили, клапаны, смеситель, транспортирующий трубопровод, заслонку, воздухоподводящий трубопровод.
Недостатком прототипа является возможность «зависания» сыпучего реагента при выгрузке из герметичного бункера, ведь при этом в его верхней, герметичной части возникает зона пониженного давления, препятствующего истечению реагента из выгрузного отверстия бункера, из-за чего способ работы силовой установки теряет работоспособность.
Полученную путем термического разложения надперекиси натрия перекись натрия транспортируют по трубопроводу, используя энергию потока отработавших газов (ОГ) - так называемый «сухой цикл». При этом температуру смеси перекиси натрия и ОГ поддерживают не менее 100°С, т.е. осуществляют температурные условия нейтрализации токсичных компонентов и связывания двуокиси углерода по известным реакциям. Однако опытным путем установлено, что устойчивое пневматическое транспортирование этой смеси посредством эжектора в результате отложения связных продуктов реакций на его внутренней поверхности, периодического «зарастания» эжектора и увеличения при этом его аэродинамического сопротивления не представляется возможным, таким образом, такая силовая установка имеет низкую работоспособность.
Недостатком прототипа является и сложность регулирования подачи сыпучего реагента посредством эжектора, так как подача зависит от высоты столба реагента над эжектором, из описания известно, что подача реагента эжектором не регулируется, что также снижает работоспособность способа.
Учитывая скорость пневматического транспортирования названной смеси, существует требование к длине реакционного участка - он должен быть не менее требуемого для полного прохождения необходимых реакций.
Для повышения степени улавливания твердых частиц сепаратором (отделителем) подвод транспортирующего трубопровода должен выполняться к его верхней части, а не нижней, как показано на схеме.
К тому же, транспортирование такой смеси осуществляется по напорной схеме, что допускает выброс частиц в атмосферу через уплотнения в монтажных узлах при эксплуатации установки, ухудшает условия работы персонала и, учитывая высокую реакционную способность перекиси натрия с органикой в присутствии влаги, требует применения защитных средств.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности силовой установки с двигателем внутреннего сгорания и улучшение условий труда обслуживающего персонала.
Поставленная задача решается тем, что в силовой установке содержащей двигатель внутреннего сгорания, бункер хранения надперекиси натрия, дозатор, источник получения газообразного кислорода, регулятор перепуска отработавших газов, эжектор, сепаратор, накопитель твердых продуктов реакции, водоконтактный охладитель, резервуар запаса воды, регулятор выпуска отработавших газов в атмосферу, влагоотделитель, бак сбора влаги, запорные вентили, клапаны, смеситель, транспортирующий трубопровод, заслонку, воздухоподводящий трубопровод, верхняя полость бункера сообщается с атмосферой посредством воздушного клапана и осушителя поступающего воздуха, под источником получения газообразного кислорода установлен дозатор реагента, выгрузной патрубок которого подсоединен к участку разрежения после эжектора, сепаратор выполняется с последовательной двухступенчатой схемой отделения твердых продуктов реакции от газа, включающей объемный отделитель в виде осадительной камеры, верхние вход и выход которой разделены вертикальной пластиной, образующей в нижней части камеры окно для перепуска газа и циклон, снабженный в верхней части встроенным вентилятором.
Сообщение верхней полости бункера патрубком с атмосферой посредством осушителя поступающего в нее воздуха и воздушного клапана улучшает условия истечение реагента из выгрузного отверстия бункера и повышает работоспособность способа. Осушенный атмосферный воздух, расход которого ограничен настройкой воздушного клапана, при контакте с надперекисью натрия не снижает значимо ее реакционную способность.
Использование разрежения в транспортирующем трубопроводе исключает выброс частиц реагентов и продуктов реакций в окружающую среду, что улучшает экологичность процесса и условия работы персонала.
Установка дозатора сыпучего реагента под источником получения газообразного кислорода позволяет регулировать подачу реагента в стехиометрическом количестве, необходимом для получения требуемого состава искусственной газовой смеси на различных режимах работы двигателя, что повышает работоспособность силовой установки.
Исключение реакций ОГ с перекисью натрия непосредственно в эжекторе не допускает «зарастания» эжектора связными продуктами реакций и потерю работоспособности силовой установки. Роль эжектора заключается в разделении выпускного газового тракта двигателя на участки избыточного давления и разрежения, он работает только на проход отработавших газов.
Выполнение работающего под разрежением транспортирующего трубопровода расчетной длины в зависимости от его внутреннего диаметра и скорости химических реакций обеспечивает прохождение необходимых реакций с учетом скорости пневматического транспортирования смеси.
Применение сепаратора с последовательной двухступенчатой схемой отделения твердых продуктов реакции от газа (объемный отделитель и циклон) улучшает степень очистки газа от твердых продуктов реакций.
Снабжение циклона сепаратора встроенным вентилятором обеспечивает требуемое для устойчивой подачи смеси разрежение в транспортирующем трубопроводе, преодолевает аэродинамическое сопротивление и повышает надежность силовой установки.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности силовой установки.
На чертеже изображена предлагаемая схема силовой установки с двигателем внутреннего сгорания.
Силовая установка с двигателем внутреннего сгорания содержит двигатель 1 внутреннего сгорания, бункер 2 хранения сыпучего реагента - надперекиси натрия (на чертеже не показан), верхняя полость которого патрубком 3 сообщена с атмосферой посредством осушителя 4 воздуха и воздушного клапана 5, дозатор 6 бункера, источник 7 получения газообразного кислорода, регулятор 8 перепуска отработавших газов, дозатор 9 сыпучего реагента (перекиси натрия) источника 7 получения газообразного кислорода, выпускной газовый тракт 10 двигателя 1, транспортирующий трубопровод 11, эжектор 12, сепаратор 13, выполненный с последовательной двухступенчатой схемой отделения твердых продуктов реакции от газа: объемный отделитель 14 в виде осадительной камеры 15, верхние вход 16 и выход 17 которой разделены вертикальной пластиной 18, образующей в нижней части камеры 15 окно для перепуска газа и циклон 19 (батарея циклонов), снабженный в верхней части встроенным вентилятором 20 (например, пылевым), накопитель 21 твердых продуктов реакций с заслонкой 22, газовод 23, водоконтактный охладитель 24, резервуар 25 запаса воды с вентилем 26, регулятор 27 выпуска отработавших газов в атмосферу, влагоотделитель 28, бак 29 сбора влаги с вентилями 30, 31 и 32, клапаны 33 и 34, смеситель 35, воздухоподводящий трубопровод 36 и блок управления 37.
Силовая установка работает следующим образом. Теплом части отработавших газов из двигателя 1 внутреннего сгорания подогревают источник 7 получения газообразного кислорода, выполненный в виде реактора, до температуры 150-230°С, при которой надперекись натрия, подаваемая в реактор дозатором 6 из бункера 2, разлагается по реакции
2
2
2
2
2NaO→NaO+O-Q.
Выделившийся кислород через клапан 34 направляют в смеситель 35, а перекись натрия дозатором 9 с регулируемой производительностью подают в транспортирующий трубопровод 11 после эжектора 12 и пневматически транспортируют, используя энергию потока отработавших газов и разрежение, создаваемое вентилятором 20.
Создаваемый вентилятором 20 перепад давлений (разрежение на входе вентилятора и избыточное давление на его выходе) компенсирует аэродинамическое сопротивление установки, обеспечивает поддержание в транспортирующем трубопроводе 11 необходимого разрежения, величина которого достаточна для устойчивого пневмотранспортирования реагента и твердых продуктов реакций. При этом эжектор 12 разделяет выпускной газовый тракт двигателя на участки избыточного давления и разрежения, пропуская через себя только отработавшие газы двигателя.
При пневматическом транспортировании температуру смеси перекиси натрия и отработавших газов поддерживают не менее 100°С, т.е. осуществляют температурные условия нейтрализации токсичных компонентов и связывания двуокиси углерода по реакциям
2
2
2
NaO+2NO→2NaNO,
2
2
2
3
NaO+2NO→2NaNO,
2
2
2
3
NaO+CO→NaCO,
2
2
2
2
3
2
NaO+CO→NaCO+1/2O.
2
3
2
3
Полученные твердые продукты реакций (NaNO, NaNO, NaCO) отделяют в объемном 14 и центробежном 19 отделителях сепаратора 13 и отводят в накопитель 21, заслонка 22 которого служит для удаления твердых продуктов реакций из накопителя 21.
Смесь очищенных отработавших газов с выделившейся при связывании двуокиси углерода остальной частью добавочного газообразного кислорода подают газоводом 23 в водоконтактный охладитель 24, где охлаждают до температуры 40-80°С, при которой происходит конденсация содержащихся в отработавших газах альдегидов, растворение остатков окислов азота, улавливание сажи и кристаллизация 3,4-бензопирена.
Резервуар 25 запаса воды, снабженный вентилем 26, служит для поддержания постоянного уровня в охладителе 24. Затем часть этой смеси отводят через регулятор 27 выпуска в атмосферу, а из оставшейся части во влагоотделителе 28 удаляют капельную влагу, которую направляют в бак 29 сбора влаги, снабженный вентилями 30, 31 и 32. Запорный вентиль 30 служит для предотвращения заброса влаги в смеситель 35 вследствие разрежения, создаваемого при работе двигателя внутреннего сгорания 1, при открытом вентиле 32 слива влаги из бака 29. Сухую смесь отработавших газов и кислорода через клапан 33 направляют в смеситель 35, куда по трубопроводу 36 подают также атмосферный воздух.
2
Контроль параметров (температуры отработавших газов, концентрации O и других) и управление процессом получения искусственной газовой смеси для ДВС осуществляют с помощью блока управления 37.
В транспортирующем трубопроводе при подаче перекиси натрия периодически происходит реакция выгорания осевших на его внутренней поверхности частиц неполного сгорания топлива (сажи), что является положительным явлением с точки зрения «самоочистки» названных поверхностей в процессе эксплуатации силовой установки.
2
2
2
В качестве сыпучего реагента-кислородоносителя также могут быть использованы надперекись и перекись калия КO и КO.