CN207595227U - 基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置。该装置包括燃烧单元、冷却单元、二氧化碳水合物生成单元和天然气水合物分解单元；其中，所述燃烧单元分别与所述冷却单元、所述二氧化碳水合物生成单元和所述天然气水合物分解单元相连；所述二氧化碳水合物生成单元还分别与所述冷却单元所述天然气水合物分解单元还与所述生成单元相连；所述燃烧单元设有用于和斯特林热机相对接的对接口。本实用新型提供的装置可以将二氧化碳打入水合物笼子中，形成二氧化碳水合物进行封存，避免废气频繁的排出舱外从而在舱外形成气泡尾迹和物理场，使得敌方雷达可以监测到从而暴露潜艇位置。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置，属于斯特林热机供能和潜艇废气处理领域。
背景技术
斯特林热机(StirlingEngine)是一种由外部热源供热的热机，工作过程中两个活塞的往复运动使得工作介质在气缸内高温与低温之间流动，工作介质密闭在气缸中，与外界没有接触，运动过程中动力活塞链接动力设备向外传递动力，由于供热的燃料在气缸的外部燃烧，因而称之为外燃机。相比于内燃机，其主要优点是燃料来源广泛，工作效率高，污染小，噪音低，以及维修方便。斯特林热机的热源是在气缸外部，燃烧环境多样，对燃料的形式没有具体要求；斯特林热机由于燃料没有在气缸这种狭小空间进行剧烈燃烧，因而没有像内燃机那样会产生巨大的噪音。基于以上优点，斯特林热机在军事工业中潜艇动力引擎中具有重要的应用价值。
潜艇的隐蔽性和续航性是衡量一艘潜艇性能优良的标准。传统的潜艇一般在水面上采用柴油发动机提供动力，因而噪音很大，容易暴露目标。斯特林热机的低噪音特点无疑具有很大的优势。但是斯特林热机和柴油机一样，也需要外部热源供热，这就需要氧气。常规的动力***一般在潜艇浮出水面后用热机提供的动力使发电机对蓄电池进行充电，当潜艇下潜时依靠电池提供动力，这种动力输出方式导致潜艇需要经常浮出水面，因而不利于潜艇的隐蔽性和水下的续航性。后来发展了无需从空气中获得氧气进行动力输出的潜艇常规动力装置，称之为AIP(不依赖空气推进装置)***，这种***的关键技术是栽有较大的液氧罐。虽然这可以解决传统潜艇的问题，但是燃烧后的二氧化碳等气体需要在水下排出，这就会在潜艇航行中的尾部形成气泡流从而导致潜艇的踪迹很容易暴露。因此斯特林热机作为潜艇动力输出装置也有需要改良的地方。
目前对于燃料燃烧后的废气排放和处理，一般采用已下几种方式：第一种是将废气冷却至海水温度后，在高压溶解箱中使二氧化碳溶于海水，一般情况下1立方米的海水溶解1.5立方米的二氧化碳气体，然后使用高压泵将溶解有二氧化碳的海水排出舱外，缺点是高压泵的工作压力随下潜深度增加而变大，需要潜艇提供更大的输出动力，降低潜艇的续航能力，且高压泵工作会有额外的噪音，不利于潜艇的隐蔽性；第二种是将废气进行吸收后存储，这属于化学吸收，吸收剂一般使用KOH和乙醇胺，这种发法可以将二氧化碳体积百分比降至2％-4％，缺点是***的结构复杂，且需要很大的存储空间来存储吸收剂，对于潜艇内部结构的布局造成影响；第三种则是将二氧化碳进行液化后存储，这也需要潜艇提供额外的动力。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置，该装置可以将二氧化碳打入水合物笼子中，形成二氧化碳水合物进行封存，避免废气频繁的排出舱外从而在舱外形成气泡尾迹和物理场，使得敌方雷达可以监测到从而暴露潜艇位置。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置，该装置包括燃烧单元、冷却单元、二氧化碳水合物生成单元和天然气水合物分解单元；其中，
所述燃烧单元分别与所述冷却单元、所述二氧化碳水合物生成单元和所述天然气水合物分解单元相连；
所述二氧化碳水合物生成单元还分别与所述冷却单元和所述天然气水合物分解单元相连；
所述燃烧单元上设有用于和斯特林热机相对接的对接口。
水合物是一种非化学计量的混合物，是由气体小分子与水分子形成的，水分子通过氢键作用形成水笼子，气体小分子则被包裹进笼子，通过范德瓦耳斯力与水分子进行相互作用，使得整体结构更稳定。可以形成水合物的典型气体是甲烷气体，氢气，以及二氧化碳气体。甲烷气体形成的水合物一般称之为天然气水合物，是一种新型的清洁能源，其储量丰富，目前测得的天然气水合物储量是目前所有传统化石燃料总量(煤炭，石油，天然气)的两倍，潜能巨大；并且其能量密度很大，1立方米的天然气水合物分解后可以释放出164立方米的甲烷气体和0.8立方米的液态水。水合物不仅是一种能源，也可以作为储气手段，一立方米二氧化碳水合物中可以存储150立方米的二氧化碳气体，储气效率远远高于二氧化碳直接溶于海水中的数值，单位储气量是海水的100倍。本实用新型提供的装置可以将二氧化碳注入水合物中，使二氧化碳能够压缩式的储藏，将本实用新型提供的装置用于艇内斯特林热机的供能与废气处理一方面大大改善了潜艇的隐蔽性，另一方面可以使潜艇获得优异的续航性能。
在上述装置中，所述天然气水合物分解单元内装有天然气水合物(即甲烷水合物)。
在上述装置中，优选的，该装置还包括第一存储单元和第二存储单元；所述第一存储单元用于存储可燃气体，所述可燃气体优选为氧气；所述第二存储单元用于存储促进剂，所述促进剂优选为甲醇和/或乙二醇；其中，
所述第一存储单元与所述燃烧单元相连；
所述第二存储单元与所述天然气水合物分解单元相连。
在上述装置中，优选的，所述天然气水合物分解单元上设有温度和压力控制***。
在上述装置中，优选的，所述二氧化碳水合物生成单元上设有温度和压力控制***。
在上述装置中，优选的，所述燃烧单元内设有点火***。
在上述装置中，优选的，所述燃烧单元是由耐高温陶瓷材料制成的燃烧单元，其耐温温度至少为3120K。
在上述装置中，优选的，所述天然气水合物分解单元是由高强度抗压金属材料制成的天然气水合物分解单元，所述二氧化碳水合物生成单元是由高强度抗压金属材料制成的二氧化碳水合物生成单元，所述天然气水合物分解单元和所述二氧化碳水合物生成单元的抗压压力均在1000MPa以上。
在上述装置中，优选的，所述燃烧单元与所述斯特林热机、冷却单元、二氧化碳水合物生成单元和天然气水合物分解单元的连接口均是由耐高温陶瓷材料制成的连接口，这些连接口的耐温温度均在3120K以上。
在上述装置中，优选的，所述装置中各单元的接口处均设有控制阀。
本实用新型的有益效果：
1)本实用新型提供的装置以储能密度高的清洁能源——天然气水合物作为燃料，可以高效的封存废气中的二氧化碳，封存能力是以往海水封存的100倍左右，节约了潜艇处理废气的能量消耗，提高潜艇续航能力；
2)本实用新型提供的装置能够使废气处理后形成稳定的二氧化碳水合物，不用排出舱外，不受潜艇下潜深度的影响，不会在潜艇尾部留有尾迹，可以大大提高潜艇的隐蔽性。
附图说明
图1为实施例提供的基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置的结构示意图；
主要附图标号说明：
1：氧气罐；2：乙二醇罐；3：燃烧室；4：冷却室；5：二氧化碳水合物生成室；6：天然气水合物分解室；3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、4-1、4-2、5-1、5-2、5-3、6-1、6-2和6-3均为接口。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本实用新型的可实施范围的限定。
实施例1
本实施提供了一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置，其结构如图1所示。该装置包括氧气罐1、乙二醇罐2、燃烧室3、冷却室4、二氧化碳水合物生成室5和天然气水合物分解室6；其中，
燃烧室3上设有5个端口，分别记为3-1、3-2、3-3、3-4和3-5；冷却室4上设有2个端口，分别记为4-1和4-2；二氧化碳水合物生成室5上设有3个端口，分别记为5-1、5-2和5-3；天然气水合物分解室6上设有3个端口，分别记为6-1、6-2和6-3。
燃烧室3上的端口3-1与斯特林热机相对接，端口3-2与氧气罐1相对接，端口3-3与天然气水合物分解室6上的端口6-2相对接，端口3-4与冷却室4上的端口4-1相对接，端口3-5与二氧化碳水合物生成室5上的端口5-2相对接；
冷却室4上的端口4-2与二氧化碳水合物生成室5上的端口5-1相对接；
天然气水合物分解室6上的端口6-1与乙二醇罐2相对接，端口6-3与二氧化碳水合物生成室上的端口5-3相对接。
二氧化碳水合物生成室5和天然气水合物分解室6上均设有温度和压力控制***。
装置中燃烧室3以及接口3-1，3-2，3-3，3-4，3-5选用耐高温陶瓷材料制成(该陶瓷材料的耐温温度为3120K)。天然气水合物分解室6和二氧化碳水合物生成室5选用高强度抗压的金属材料制成(该金属材料的抗压压强为1000MPa)。
工作开始时，打开天然气水合物分解室6的端口6-1，使得促进剂乙二醇进入天然气水合物分解室6，调节天然气水合物分解室6的温度和压强至合适值，天然气水合物便开始分解，分解得到的甲烷气体(CH4)通过接口6-2，接口3-3进入燃烧室3中。
打开3-2接口，使得氧气罐1中的氧气进入燃烧室3中，点火后燃烧室3中的甲烷气体和氧气进行化学反应，产生的热量通过燃烧室3上的端口3-1为斯特林热机进行供热，以使斯特林热机工作。
燃烧室3中燃烧后生成的二氧化碳和水蒸气及少量未参加反应的氧气通过接口3-4，接口4-1进入到冷却室4中，水蒸气冷却为液态水，剩余的二氧化碳和氧气通过接口4-2，接口5-1进入到二氧化碳水合物生成室5中。
天然气水合物分解后生成的液态水及添加的助剂乙二醇通过接口6-3，接口5-3进入二氧化碳水合物生成室5中，调节二氧化碳水合物生成室的温度和压强至合适值，使得二氧化碳气体在助剂乙二醇的作用下与水分子作用形成二氧化碳水合物，将二氧化碳气体固定到二氧化碳水合物中；与此同时，二氧化碳水合物生成室5内的二氧化碳还可以由接口5-3，接口6-3进入天然气水合物分解室6中置换出天然气水合物中甲烷的，使得天然气水合物转变为二氧化碳水合物，从而达到封存二氧化碳和分离出甲烷的双重效果。这一系列措施能够有效保证了二氧化碳能够被很好地封存。
二氧化碳水合物生成室5中剩余的氧气则通过接口5-2，接口3-5重新进入燃烧室3中参与氧化反应。
本实用新型提供的技术方案以储能密度大的天然气水合物甲烷水合物作为燃料来源，其在天然气水合物分解室内通过升温和热力学助剂(甲醇，乙二醇等)可以快速分解。甲烷和氧气燃烧后生成的二氧化碳，可以通过水合物技术进行吸收后形成二氧化碳水合物，进行存储，具体方式包括以下三种：第一种是将二氧化碳气体打入含有促进促进剂(如乙二醇等)的液态水中，使得二氧化碳气体与水分子形成二氧化碳水合物；第二种是将二氧化碳注入天然气水合物分解后的液态水中，分解后的水合物形成的液态水中由于记忆效应，液态水中会含有大量的残缺环，注入二氧化碳后容易形成二氧化碳水合物，可以减少生成二氧化碳水合物的时间，提高效率；第三种是利用二氧化碳可以置换出天然气水合物中甲烷的机制，使得天然气水合物转变为二氧化碳水合物，达到封存二氧化碳和分离出甲烷的双重效果。
本实用新型提供的技术方案能够将二氧化碳打入水合物笼子中，形成二氧化碳水合物进行封存，避免废气频繁的排出舱外从而在舱外形成气泡尾迹和物理场，使得敌方雷达可以监测到从而暴露潜艇位置；此外，废气中的水蒸气可以通过冷却后形成液态水。废气中的氧气可以通过循环***重新进入燃烧室。
Claims (10)
1.一种基于水合物技术的潜艇内斯特林热机供能与废气处理装置，其特征在于，该装置包括燃烧单元、冷却单元、二氧化碳水合物生成单元和天然气水合物分解单元；其中，
所述燃烧单元分别与所述冷却单元、所述二氧化碳水合物生成单元和所述天然气水合物分解单元相连；
所述二氧化碳水合物生成单元还分别与所述冷却单元和所述天然气水合物分解单元相连；
所述燃烧单元上设有用于和斯特林热机相对接的对接口。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括第一存储单元和第二存储单元；所述第一存储单元用于存储可燃气体；所述第二存储单元用于存储促进剂；其中，
所述第一存储单元与所述燃烧单元相连；
所述第二存储单元与所述天然气水合物分解单元相连。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述促进剂为甲醇和/或乙二醇。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述天然气水合物分解单元内装有天然气水合物。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述天然气水合物分解单元上设有温度和压力控制***。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述二氧化碳水合物生成单元上设有温度和压力控制***。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述燃烧单元内设有点火***。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述燃烧单元的耐温温度至少为3120K。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述天然气水合物分解单元和所述二氧化碳水合物生成单元的抗压压力均在1000MPa以上。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述燃烧单元与所述斯特林热机、冷却单元、二氧化碳水合物生成单元和天然气水合物分解单元的连接口的耐温温度均在3120K以上。
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