ГЛУШИТЕЛЬ-ОЧИСТИТЕЛЬ-ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
MUFFLER-CLEANER-ELECTRIC GENERATOR FOR EXHAUST GASES

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и в частности к устройствам для шумоглушения и очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с одновременным получением электроэнергии.
Известно устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которое одновременно выполняет функцию шумоглушителя, содержащее корпус с входным и выпускным патрубками и фильтрующей вставкой, состоящей из перфорированных пластин, между которыми помещены разделенные сетчатыми элементами слои металлической путанки и активированного угля [А.с. СССР №1705602, МКл. F01N 3/08, 1992].
Основными недостатками известного устройства являются невозможность очистки отработавших газов от оксидов азота и оксидов серы, которые не сорбируются активированным углем, его низкая механическая прочность и невозможность генерации электроэнергии за счет тепла отработавших газов, что уменьшает срок эксплуатации известного устройства и снижает эффективность его работы.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплексный глушитель-очиститель отработавших газов, включающий корпус, снабженный диффузором и конфузором с входным и выпускным патрубками, съемной крышкой, фильтрующей вставкой, состоящей из плоских, зигзагообразных и конусных перфорированных кожухов, соединенных между собой с образованием между ними и внутренней поверхностью корпуса, диффузора, конфузора и съемной крышки полости, при этом между плоскими перфорированными кожухами крышки и днища корпуса установлены, соприкасаясь с ними и параллельно движению отработавших газов, вертикальные зигзагообразные контейнеры с перфорированными стенками, образующие между собой зигзагообразные газовые каналы, а вышеуказанные полость и зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами шлаковой пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм [Патент РФ №2465471, МПК F01N 3/08, 2012].
Основным недостатком известного устройства является невозможность генерации электроэнергии за счет тепла отработавших газов, что снижает эффективность его работы.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности глушителя-очистителя-электрогенератора для отработавших газов.
Технический результат достигается тем, что глушитель-очиститель-электрогенератор для отработавших газов включает корпус, снабженный диффузором и конфузором с входным и выпускным патрубками, съемной крышкой, внутри которого помещены вертикальные зигзагообразные перфорированные контейнеры с образованием между ними и внутренней поверхностью корпуса зигзагообразных газовых каналов, вертикальные зигзагообразные контейнеры заполнены гранулами пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, стенки корпуса, диффузора, конфузора и съемная крышка выполнены с продольными прямоугольными гофрами, образующими продольные прямоугольные гнезда, в которые частично утоплены термоэлектрические звенья, состоящие из прямоугольных вставок, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала, внутри которых помещены зигзагообразные ряды, состоящие из термоэмиссионных преобразователей, представляющих собой пару проволочных отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, причем термоэлектрические звенья установлены в гнездах таким образом, чтобы большая часть каждого термоэмиссионного преобразователя зигзагообразных рядов омывалась наружным воздухом, каждое термоэлектрическое звено снаружи попарно соединены между собой с одного конца перемычкой, а другого конца электрическим конденсатором, образуя термоэлектрические секции, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой перемычками через электрические конденсаторы, образуя термоэлектрические блоки в форме поверхности, на которой они расположены, а первый и последний из вышеупомянутых электрических конденсаторов термоэлектрических блоков соединены с токовыводами.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид глушителя-очистителя-электрогенератора отработавших газов (ГОЭГ), на фиг. 2 - разрез, на фиг. 3-7 - узлы Б, Д (компоновка ГОЭГ, устройство контейнеров и термоэлектрических секций).
ГОЭГ содержит корпус 1, снабженный диффузором и конфузором 2 и 3 с входным и выпускным патрубками 4 и 5, соответственно, съемной крышкой 6, внутри которого помещены вертикальные зигзагообразные перфорированные контейнеры 7 с образованием между ними и внутренней поверхностью корпуса 1 зигзагообразных газовых каналов 8, при этом вертикальные зигзагообразные контейнеры 7 заполнены гранулами пемзы 9, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 и диаметром гранул от 5 до 10 мм, стенки корпуса 1, диффузора 2, конфузора 3 и съемная крышка 6 выполнены с продольными прямоугольными гофрами, образующими продольные прямоугольные гнезда 10, в которые частично утоплены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 11, состоящие из прямоугольных вставок 12, выполненных из упругого диэлектрического коррозионностойкого материала (например, резины или пластмассы), внутри которых помещены зигзагообразные ряды 13, состоящие из термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14. Каждый ТЭП 14 представляет собой пару проволочных отрезков 15 и 16, выполненных из разных металлов M1 и М2, спаянных на концах между собой, причем ТЭЗ 11 установлены в гнездах 10 таким образом, чтобы большая часть каждого ТЭП 14 рядов 13 омывалась наружным воздухом, каждое ТЭЗ 11 снаружи корпуса 1 попарно соединены между собой с одного конца перемычкой 17, а с другого конца - электрическим конденсатором 18, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 19, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой перемычками 20 через электрические конденсаторы 18, образуя термоэлектрические блоки (ТЭБ) 21 в форме поверхности, на которой они расположены, а первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов 18 ТЭБ 21 соединены с токовыводами 22 и 23, соответственно.
В основу работы предлагаемого ГОЭГ, наряду с использованием пемзы 9, изготовленной из металлургических шлаков для очистки и шумоглушения, положено использование эффекта термоэлектричества. Так как в ТЭЗ 11 помещены ряды 13, состоящие из ТЭП 14, изготовленных из проволочных отрезков 15 и 16, выполненных из металлов M1 и М2, спаянные на концах между собой, то при нагреве одних спаянных концов ТЭП 14, помещенных в гнезда 6, горячими выхлопными газами и охлаждении других наружным воздухом, в ТЭЗ 11 возникает термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506].
2
2
3
x
x
x
x
2
3
3
2
4
Предлагаемый ГОЭГ работает следующим образом. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания через входной патрубок 4 поступают в диффузор 2, где их скорость резко падает, и они равномерно распределяются по зигзагообразным газовым каналам 8, где двигаются также зигзагообразно, что значительно турбулизует их потоки и позволяет проникать через отверстия в стенках вертикальных перфорированных зигзагообразных контейнерах 7, заполненных гранулами 9 шлаковой пемзы диаметром от 5 до 10 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков (диаметр гранул 9 назначен из условий максимального заполнения зигзагообразных контейнеров 7 и стандартной номенклатуры размеров гранул шлаковой пемзы). Шлаковая пемза, изготовленная из основных металлургических шлаков, представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящей из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO, AlO, MnO) с модулем основности М>1 [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А.С. и др. - М.: Стройизд., 1989, с. 423; Домокеев А.К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163]. Высокое значение модуля основности придает гранулам 9 основные свойства, позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные примеси, которые присутствуют в отработавших газах (NO, SO, СО), а высокая пористость их структуры позволяет использовать гранулы 9 шлаковой пемзы в качестве эффективного звукопоглощающего материала [В.Н. Богословский и др. Отопление и вентиляция, Ч. II. - М.; Стройиздат, 1978, с. 391]. Кроме того, исходя из своего состава, гранулы 9 шлаковой пемзы устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов выхлопных газов, широко доступны и относительно дешевы. Поток отработавших газов, проходя зигзагообразные газовые каналы 8 и многократно попадая на поверхность гранул 9 и вовнутрь их, очищается от вредных примесей (NO, SO, СО), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 9. Адсорбированные из отработавших газов оксиды азота и серы в порах гранул 9 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента-гранул 9 шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия. - М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в отработавших газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легко растворимых в воде NO и SO. Полученные оксиды азота и серы, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды, образующейся в порах гранул 9 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в отработавших газах, с образованием соответствующих кислот HNO и HSO. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 9 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные отработавшие газы из газовых каналов 9 поступают в конфузор 3 и через выходной патрубок 5 выбрасываются в атмосферу. При этом одновременно с процессом очистки отработавших газов в ГОЭГ происходит глушение их шума путем поглощения звука высокопористой структурой гранул 9, которые находятся в зигзагообразных контейнерах 7 и продольными прямоугольными гофрами, образующими продольные прямоугольные гнезда 10 в виде длинных полос, покрывающих изнутри все стенки корпуса 1, крышки 6, диффузора 3 и конфузора 2. Одновременно горячие отработавшие газы, проходя через полость диффузора 3, газовых каналов 8 корпуса 1, конфузора 2, нагревают, устроенные в них вертикальные прямоугольные гнезда 10 и, соответственно, спаи термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14 ТЭЗ 11, противоположные концы которых охлаждаются наружным воздухом атмосферы. В результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков 15 и 16 ТЭП 14 в зигзагообразных рядах 13 ТЭЗ 11, расположенных в гнездах 10, горячими отработавшими газами и охлаждении других спаянных концов ТЭП 14, расположенных снаружи, холодным воздухом, в рядах 13 ТЭЗ 11 каждой ТЭС 19 образуется термоэлектричество, которое суммируется в ТЭБ 21 и через токовыводы 22 и 23 подается потребителю. При этом проволочные отрезки 15 и 16 ТЭП 14 рядов 13 изолированы от непосредственного контакта с дымовыми газами и воздухом слоем диэлектрического коррозионностойкого материала прямоугольных вставок 12, что предохраняет металлы M1 и М2 пар 15 и 16 ТЭП 14 от коррозии и появления между ними короткого замыкания. Выполнение вставок 12 прямоугольной формы, утопленной в прямоугольные гнезда 10, обеспечивает их прочную стыковку с поверхностью гнезд 10. Кроме того, включение в конструкции ТЭС 19 и ТЭБ 21 ГОЭГ последовательно соединенных между собой электрических конденсаторов 18 значительно снижает электрическое сопротивление ТЭБ 21 и, соответственно, увеличивает силу тока на токовыводах 22 и 23.
Величина разности электрического потенциала на токовыводах 22 и 23 ГОЭГ зависит от характеристик пар металлов M1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 15 и 16 ТЭП 14, числа их в ТЭЗ 11, числа ТЭС 19 в ТЭБ 21 и количества ТЭБ 21. Полученный электрический ток можно использовать, например, для обогрева салона автомобиля зимой и для кондиционирования его летом.
При падении активности гранул 9 их подвергают регенерации. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул 9 от мелкодисперсных частиц и абсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем промывки гранул 9 теплой водой (штуцера для подачи воды и ее удаления на фиг. 1-7 не показаны).
Размеры ГОЭГ, а также суммарный объем гранул 9, число перфорированных зигзагообразных контейнеров 7, их длина, высота и ширина, ширина газовых каналов 8, число ТЭП 14 в ТЭЗ 11, число ТЭС 19 в ТЭБ 21 и количество ТЭБ 21 определяются в зависимости от мощности двигателя внутреннего сгорания, расхода топлива, требуемых степени очистки и потери уровня звуковой мощности отработавших газов.
Таким образом, предлагаемый комплексный глушитель-очиститель-электрогенератор для отработавших газов позволяет без применения дорогих и опасных химических реагентов очистить отработавшие газы от вредных примесей, снизить до требуемого уровень их звуковой мощности, используя в качестве адсорбента и шумопоглотителя гранулы шлаковой пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков, и одновременно обеспечивает утилизацию тепла отработавших газов на выходе из двигателя путем получения термоэлектричества, что повышает его эффективность.