RU2214566C1 - Cooling system having stirling engine for installations operating without communication with atmosphere - Google Patents

Abstract

FIELD: heat-and-power engineering equipment. SUBSTANCE: system is used for installation cooling by supplying of gaseous carbon dioxide and alkaline-earth metal-magnesium into reactor. As result of reaction between magnesium and carbon dioxide solid and gaseous phases appear. Solid and gaseous phases are separated into separator. Solid phase is stored into accumulator, gaseous phase is introduced into reactor. Non- reacted carbon oxide is separated into separator from solid phase and supplied through re-circulation pipeline into reactor by means of pump. Heat of chemical reactions carried out in the one reactor is transferred through loop with intermediate heat medium to Stirling engine working medium. Heat of chemical reactions carried out in the other reactor is transferred to working medium of cooling machine which utilizes heat. Carbon dioxide is fed into reactor through heat-exchanger, in which heat is supplied from solid phase stored into reactor accumulator, and then through heat-exchanger in which heat is supplied from accumulator. EFFECT: Stirling engine performance reliability and decreased cost of cooling system. 1 dwg

Description

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. The invention relates to the field of power engineering and can be used as an energy refrigerating system for objects operating without any connection with the atmosphere, for example, for special fortifications.

Известно устройство двигателя Стирлинга, состоящего из нагревателя, регенератора, холодильника и поршневой группы (Батырев А.Н., Кошеваров В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994, стр. 205). A device of the Stirling engine is known, consisting of a heater, a regenerator, a refrigerator and a piston group (Batyrev A.N., Koshevarov V.D., Leikin O.Yu. Ship nuclear power plants of foreign countries. - St. Petersburg: Shipbuilding, 1994, p. 205).

Известно устройство машины Вюлемье-Такониса, представляющей собой механически замкнутую систему, состоящую из холодильной машины и двигателя, причем последний развивает такую мощность, которая необходима холодильной машине. Цикл осуществляется за счет подвода теплоты от внешнего источника. В качестве рабочего тела используются вещества, не разрушающие озоновый слой, например гелий, воздух и т.д. Однако для эффективного осуществления рабочего цикла машины необходимо, чтобы тепло, подводимое к машине, было бы достаточно высокого термодинамического потенциала (Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е. И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978, стp. 305). The device of the Wulemier-Taconis machine is known, which is a mechanically closed system consisting of a refrigerating machine and an engine, the latter developing such power as is needed for the refrigerating machine. The cycle is carried out by supplying heat from an external source. As the working fluid, substances are used that do not destroy the ozone layer, for example, helium, air, etc. However, for the effective implementation of the working cycle of the machine, it is necessary that the heat supplied to the machine has a sufficiently high thermodynamic potential (Arkhipov A.M., Marfenina I.V., Mikulin E.I. Theory and calculation of cryogenic systems. M.: Mechanical Engineering 1978, p. 305).

Известна схема пароэжекторной холодильной машины, включающей в себя парогенератор, эжектор, холодильник, конденсатор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в парогенераторе, а охлаждение - в холодильнике (Кириллов Н.Г. Пароэжекторная холодильная установка. Патент РФ 2164646, F 25 В 1/08, бюл. 9 от 27.03.2001). Однако, для работы пароэжекторной холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты для образования перегретого пара. A known scheme of a steam ejector chiller including a steam generator, an ejector, a refrigerator, a condenser, a feed pump and a throttle valve, while the supply of high temperature heat (heating) is carried out in a steam generator, and cooling is carried out in a refrigerator (Kirillov N.G. Steam ejector refrigeration unit. RF patent 2164646, F 25 B 1/08, bull. 9 from 03/27/2001). However, for the operation of the steam ejector chiller, it is necessary to bring heat to it to form superheated steam.

Известна схема абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины, включающей в себя генератор, абсорбер, конденсатор, испаритель, регенератор, питательный насос и дроссельный вентиль, при этом подвод высокотемпературной теплоты (нагрев) осуществляется в генераторе, а подвод низкотемпературной теплоты (охлаждение) в холодильнике (Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 155-166). Однако для работы абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины необходимо подведение к ней теплоты. There is a known scheme of an absorption bromine-lithium refrigerating machine, which includes a generator, an absorber, a condenser, an evaporator, a regenerator, a feed pump and a throttle valve, while the supply of high-temperature heat (heating) is carried out in the generator, and the supply of low-temperature heat (cooling) in the refrigerator (Chillers . Reference. M: Light and food industry, 1982, S. 155-166). However, for the operation of the absorption bromide-lithium refrigeration machine, it is necessary to bring heat to it.

Известны реакции взаимодействия щелочноземельного металла магния с двуокисью и окисью углерода Mg + СО₂ = MgO + СО + 318,5 кДж/моль, Mg + СО = MgO + С + 491,3 кДж/моль с выделением значительного количества теплоты (Валов А. Е. , Кустов Ю.А., Шевцов В.И. Спектроскопическое исследование горения одиночных частиц магния в воздухе и углекислом газе. // ФГВ. - 1994.-30, 4. - с.34).Known reactions of the interaction of an alkaline earth metal of magnesium with dioxide and carbon monoxide Mg + СО ₂ = MgO + СО + 318.5 kJ / mol, Mg + СО = MgO + С + 491.3 kJ / mol with the release of a significant amount of heat (Valov A. E., Kustov Yu.A., Shevtsov V.I. Spectroscopic study of the combustion of single magnesium particles in air and carbon dioxide // FGV. - 1994.-30, 4. - p. 34).

Известна реакция взаимодействий углерода с двуокисью углерода С+СО₂= 2СО - 172 кДж/моль (Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 22-е изд., испр. /Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982 - с. 443).The reaction of interactions of carbon with carbon dioxide C + CO ₂ = 2CO - 172 kJ / mol is known (Glinka N.L. General Chemistry: Textbook for High Schools. 22nd ed., Rev. / Under the editorship of V. Rabinovich - L .: Chemistry, 1982 - p. 443).

Известны устройство и принцип работы реакторов с кипящим слоем (Тодес О. М. , Цитович О.Б. Аппараты с кипящим слоем: гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с.). The device and principle of operation of reactors with a fluidized bed (Todes OM, Tsitovich OB Fluidized bed apparatuses: hydraulic and thermal fundamentals of work. - L .: Chemistry, 1981. - 296 p.).

Известен способ получения искусственной газовой смеси и повышения термодинамического потенциала отработавших сред дизельной энергоустановки, работающей по замкнутому циклу, для объектов без связи с атмосферой. Суть этого способа заключается в окислении металла кислородом из состава двуокиси углерода (СО₂) при высокой температуре с выделением значительного количества теплоты, что позволяет получить дополнительную полезную работу в другом тепловом двигатели, например газовой турбине. Недостатком этих энергоустановок является то, что при отсутствии связи с атмосферой, для их функционирования необходимы значительные объемы материальных сред внутри объекта (Описание изобретения к патенту РФ N 2013588).A known method of producing an artificial gas mixture and increase the thermodynamic potential of the exhaust medium of a diesel power plant operating in a closed cycle for objects without a connection to the atmosphere. The essence of this method is the oxidation of metal by oxygen from the composition of carbon dioxide (CO ₂ ) at high temperature with the release of a significant amount of heat, which allows you to get additional useful work in another heat engine, such as a gas turbine. The disadvantage of these power plants is that in the absence of communication with the atmosphere, significant volumes of material media inside the facility are required for their functioning (Description of the invention to RF patent N 2013588).

Известны автономные стационарные энергохолодильные системы для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, представляющие собой структурно-функциональное объединение преобразователя прямого цикла (ППЦ) и преобразователя обратного цикла (ПОЦ) и предназначенные для совместного производства электрической энергии и холода за счет энергии высокотемпературного источника теплоты. Энергохолодильные системы могут создаваться на основе различных типов преобразователей, причем ППЦ служит для получения электрической энергии, а ПОЦ - для получения холода. Для нормального функционирования ППЦ и ПОЦ от них необходимо отводить теплоту (1 и 2 законы термодинамики), и ввиду отсутствия связи с атмосферой, эта низкопотенциальная теплота должна аккумулироваться и складироваться внутри объекта. Поэтому охлаждение преобразователей осуществляется за счет теплоаккумулирующего вещества (TAB), в качестве которого выступает вода, при температуре около +4^oС, что обуславливает необходимость создания хранилищ с большими объемами для холодной воды и воды, аккумулировавшей теплоту от преобразователей. Недостатком является то, что хотя структурно-функциональное объединение ППЦ и ПОЦ позволяет сократить потребление TAB, за счет переключения схем подачи холодной воды в холодильники преобразователей, однако и в этом случае запасы TAB составляют значительный процент от объема объекта в целом, что приводит к большой стоимости строительства объектов данного типа (Гришутин М.М., Севастьянов А.П. Теория и методы расчетов автономных энергохолодильных установок. М.: Изд. МЭИ, 1992.-240 с.).Autonomous stationary energy-refrigerating systems for objects operating without any connection with the atmosphere are known, which are a structurally functional combination of a direct cycle converter (PPC) and a reverse cycle converter (POC) and intended for the joint production of electric energy and cold due to the energy of a high-temperature heat source. Energy-refrigerating systems can be created on the basis of various types of converters, with PPC used to produce electrical energy, and POC to produce cold. For the normal functioning of the PPC and POC, it is necessary to remove heat from them (laws 1 and 2 of thermodynamics), and since there is no connection with the atmosphere, this low-grade heat must be accumulated and stored inside the object. Therefore, the cooling of the transducers is carried out due to the heat storage substance (TAB), which is water, at a temperature of about +4 ^o С, which necessitates the creation of storages with large volumes for cold water and water that accumulated heat from the transducers. The disadvantage is that although the structural and functional combination of PPC and POC reduces TAB consumption by switching cold water supply circuits to the refrigerators of converters, in this case, too, TAB stocks make up a significant percentage of the total volume of the facility, which leads to high cost construction of facilities of this type (Grishutin M.M., Sevastyanov A.P. Theory and methods of calculating autonomous energy-refrigerating units. M .: Izd. MEI, 1992.-240 p.).

Известна анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую (пароэжекторную) холодильную машину (Кириллов Н.Г. Анаэробная энергоустановка с двигателем Стирлинга и водородосодержащим топливом. Патент РФ 2169319, F 25 В 27/02, Бюл. 17 от 20.06.2001). Однако в данной установке используется дорогостоящая камера сгорания с катализатором, и при работе установки образуются отработанные газы (водяные пары), которые необходимо хранить в сооружении. Known anaerobic power plant with a Stirling engine and hydrogen-containing fuel, including a Stirling engine and a heat-using (steam ejector) refrigeration machine (Kirillov NG Anaerobic power plant with a Stirling engine and hydrogen-containing fuel. Patent RF 2169319, F 25 V 27/02. 17 dated 06/20/2001). However, in this installation, an expensive combustion chamber with a catalyst is used, and during operation of the installation, exhaust gases (water vapor) are formed, which must be stored in the structure.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении надежности работы двигателя Стирлинга и снижении стоимости системы в целом, на счет использования безгазового топлива. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the reliability of the Stirling engine and reduce the cost of the system as a whole, due to the use of gasless fuel.

Для достижения данного технического результата энергохолодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую холодильную машину, снабжена линией подачи углекислого газа, включающей в себя емкость для его хранения, запорно-регулирующий вентиль и теплообменники, а также двумя реакторами с щелочноземельным металлом, соединенные между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, при этом линия подачи углекислого газа проходит через реакторы, двигатель Стирлинга через контур промежуточного теплоносителя подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина через свой контур промежуточного теплоносителя подсоединена к другому реактору, который снабжен линией рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода. To achieve this technical result, an energy-refrigerating system with a Stirling engine for objects operating without an atmosphere connection, including a Stirling engine and a heat-using refrigeration machine, is equipped with a carbon dioxide supply line, including a storage tank, a shut-off and control valve and heat exchangers, as well as two alkaline earth metal reactors, interconnected by a supply line of unreacted carbon monoxide, while the carbon dioxide supply line passes um through the reactors, Stirling engine via an intermediate heat carrier circuit is connected to one of the reactors, and heat-refrigerating machine through its intermediate coolant circuit is connected to another reactor that is provided with a recirculation line unreacted carbon monoxide.

Введение в состав энергохолодильной системы с двигателем Стирлинга двух реакторов с щелочноземельным металлом, соединенных между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, контуров промежуточных теплоносителей, с помощью которых двигатель Стирлинга подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина к другому, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности работы двигателя Стирлинга и холодильной машины от высокотемпературных источников теплоты, выполненных на основе безгазовых топлив, что обеспечивает повышение надежности и снижение стоимости всей системы в целом. The introduction of two alkaline earth metal reactors connected to each other by an unreacted carbon monoxide supply line into the energy-cooling system with a Stirling engine, intermediate coolant circuits, by means of which the Stirling engine is connected to one of the reactors, and the heat-using refrigerating machine to the other, allows to obtain a new property , consisting in the possibility of operation of the Stirling engine and the refrigerating machine from high-temperature heat sources, made on the basis of gas-free fuels, which provides increased reliability and reduced cost of the entire system as a whole.

На чертеже изображена энергохолодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой. The drawing shows an energy-cooling system with a Stirling engine for objects that operate without communication with the atmosphere.

Энергохолодильиая система в своем составе имеет двигатель Стирлинга 1, соединенный через замкнутый контур промежуточного теплоносителя 2 с реактором 3, включающим в себя накопитель твердой фазы 4, сепаратор 5 и бункер для хранения щелочноземельного металла - магния (не показан), линию подведения не прореагировавшей окиси углерода 6 в реактор 7, включающий в себя накопитель твердой фазы 8, сепаратор 9 и бункер для хранения щелочноземельного металла - магния (не показан), линию рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода 10 с нагнетателем 11, теплоиспользующую холодильную машину 12, соединенную контуром промежуточного теплоносителя с реактором 7, линию подачи углекислого газа, включающую емкость для его хранения 14, запорно-регулирующий вентиль 15, теплообменники 16 и 17. The energy-cooling system includes a Stirling engine 1 connected through a closed loop of the intermediate coolant 2 to a reactor 3, which includes a solid phase storage 4, a separator 5 and a hopper for storage of alkaline earth metal - magnesium (not shown), a line for supplying unreacted carbon monoxide 6 to the reactor 7, which includes a solid phase storage device 8, a separator 9 and a hopper for storage of an alkaline earth metal - magnesium (not shown), an unreacted carbon monoxide recirculation line 10 with a supercharger 11, t a non-utilizing refrigeration machine 12 connected by an intermediate coolant circuit to a reactor 7, a carbon dioxide supply line including a storage tank 14, a shut-off and control valve 15, heat exchangers 16 and 17.

Энергохолодильная система с двигателем Стирлинга работает следующим образом. Energy-cooling system with a Stirling engine operates as follows.

Предварительно, перед началом работы объекта в режиме без связи с атмосферой, в нем запасается необходимое (расчетное) количество двуокиси углерода в емкости 14 и щелочноземельного металла - магния. Previously, before the object starts operating in a mode without communication with the atmosphere, it stores the necessary (calculated) amount of carbon dioxide in tank 14 and alkaline earth metal - magnesium.

При работе энергохолодильной системы без связи с атмосферой в реактор 3 подается расчетное количество двуокиси углерода и щелочноземельною металла магния из бункера (не показан). В результате взаимодействия магния с двуокисью углерода по реакциям: Mg + CO₂ = MgO + СО + 318,5 кДж/моль, Mg + СО₂ = MgO + С + 491,3 кДж/моль, С + СО₂ = 2СО - 172 кДж/моль образуются твердая и газовая фазы, которые разделяются в сепараторе 5 Твердая фаза складируется в накопителе 4, а газовая фаза по линии 6 подается в реактор 7, в котором в результате взаимодействия магния с окисью углерода по реакции Mg + СО = MgO + С + 491,3 кДж/моль, образуется твердая фаза - оксид магния и углерод, которая складируются в накопителе 8.When the energy-refrigerating system is operating without any connection to the atmosphere, the calculated amount of carbon dioxide and alkaline earth metal of magnesium from a hopper (not shown) is supplied to reactor 3. As a result of the interaction of magnesium with carbon dioxide by the reactions: Mg + CO ₂ = MgO + СО + 318.5 kJ / mol, Mg + СО ₂ = MgO + С + 491.3 kJ / mol, С + СО ₂ = 2СО - 172 kJ / mol, solid and gas phases are formed, which are separated in the separator 5. The solid phase is stored in accumulator 4, and the gas phase is fed through line 6 to reactor 7, in which, as a result of the interaction of magnesium with carbon monoxide by the reaction Mg + СО = MgO + С + 491.3 kJ / mol, a solid phase forms - magnesium oxide and carbon, which are stored in storage unit 8.

Не прореагировавшая окись углерода отделяется в сепараторе 9 от твердой фазы и по рециркуляционной линии 10 нагнетателем 11 снова подается в реактор 7. Теплота химических реакций, протекающих в реакторе 3, передается через контур с промежуточным теплоносителем 2 рабочему телу двигателя Стирлинга 1. Теплота химических реакций, протекающих в реакторе 7, передается через контур с промежуточным теплоносителем 13 рабочему телу теплоиспользующей холодильной машины 12. Двуокись углерода из емкости 14, через запорно-регулирующий вентиль 15, теплообменник 16, в котором воспринимает теплоту твердой фазы, аккумулированную в накопителе 8 реактора 7, и далее через теплообменник 17, в котором воспринимает теплоту, аккумулированную в накопителе 4, подается в реактор 3. Unreacted carbon monoxide is separated in the separator 9 from the solid phase and, via the recirculation line 10, by the supercharger 11 is fed back to the reactor 7. The heat of chemical reactions taking place in the reactor 3 is transferred through a circuit with an intermediate heat carrier 2 to the working fluid of the Stirling engine 1. The heat of chemical reactions, flowing in the reactor 7, is transmitted through a circuit with an intermediate coolant 13 to the working fluid of the heat-using refrigeration machine 12. Carbon dioxide from the tank 14, through the shut-off-control valve 15, heat transfer uk 16, wherein the solid phase takes heat, accumulated in the accumulator 7, 8 of the reactor, and then through the heat exchanger 17, in which senses heat accumulated in the accumulator 4 is supplied to the reactor 3.

Источники информации
1. Батырев А.Н., Кошеваров В.Д., Лейкин О.Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. - СПб.: Судостроение, 1994, стр. 205.Sources of information
1. Batyrev A.N., Koshevarov V.D., Leikin O.Yu. Ship nuclear power plants of foreign countries. - St. Petersburg: Shipbuilding, 1994, p. 205.

2. Архипов А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчет криогенных систем. М.: Машиностроение, 1978. -стр. 305. 2. Arkhipov A.M., Marfenina I.V., Mikulin E.I. Theory and calculation of cryogenic systems. M .: Engineering, 1978. -p. 305.

3. Кириллов Н. Г. Пароэжекторная холодильная установка. Патент РФ 2164646, F 25 В 1/08, Бюл. 9 от 27.03.2001. 3. Kirillov N.G. Steam-ejector refrigeration unit. RF patent 2164646, F 25 V 1/08, bull. 9 from 03/27/2001.

4. Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с. 155-166. 4. Refrigerators. Directory. M .: Light and food industry, 1982, p. 155-166.

5. Валов А.Е., Кустов К.А., Шевцов В.И. Спектроскопическое исследование горения одиночных частиц магния в воздухе и углекислом газе. // ФГВ. -1994. -30, 4. -с. 34. 5. Valov A.E., Kustov K.A., Shevtsov V.I. Spectroscopic study of the combustion of single magnesium particles in air and carbon dioxide. // FGV. -1994. -30, 4.-s. 34.

6. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 22-е изд., испр. / Под ред. Рабиновича В.А. - Л.: Химия, 1982. -с. 443. 6. Glinka N. L. General chemistry: Textbook for universities. - 22nd ed., Rev. / Ed. Rabinovich V.A. - L .: Chemistry, 1982.-p. 443.

7. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим слоем: гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1981. - 296 с. 7. Todes O.M., Tsitovich O.B. Fluidized bed apparatus: hydraulic and thermal operation basics. - L .: Chemistry, 1981. - 296 p.

Claims (1)

Холодильная система с двигателем Стирлинга для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, включающая в себя двигатель Стирлинга и теплоиспользующую холодильную машину, снабжена линией подачи углекислого газа, включающей в себя емкость для его хранения, запорно-регулирующий вентиль и теплообменники, а также двумя реакторами с щелочноземельным металлом, соединенные между собой линией подведения не прореагировавшей окиси углерода, при этом линия подачи углекислого газа проходит через реакторы, двигатель Стирлинга через контур промежуточного теплоносителя подсоединен к одному из реакторов, а теплоиспользующая холодильная машина через свой контур промежуточного теплоносителя подсоединена к другому реактору, который снабжен линией рециркуляции не прореагировавшей окиси углерода. A refrigeration system with a Stirling engine for objects operating without an atmosphere connection, including a Stirling engine and a heat-consuming refrigeration machine, is equipped with a carbon dioxide supply line, including a storage tank, a shut-off and control valve and heat exchangers, as well as two reactors with alkaline earth metal, interconnected by a supply line of unreacted carbon monoxide, while the carbon dioxide supply line passes through the reactors, the Stirling engine through the circuit the intermediate heat carrier is connected to one of the reactors, and the heat-utilizing chiller through its intermediate coolant circuit is connected to another reactor, which is equipped with a recirculation line of unreacted carbon monoxide.