Комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення

Реферат: Винахід належить до галузі розділяння газів або їх сумішей за допомогою обробки холодом з використанням кріогенних газових машин і енергоперетворення тепловими насосами і двигунами, що працюють за циклом Стирлінга, і може бути використаний в різних галузях промисловості. Комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, містить кріогенну машину Стирлінга, ректифікаційну колону, теплообмінник для виморожування вологи і вуглекислоти, теплоізольовану місткість для рідкого азоту, насос високого тиску, трубопроводи рідкого і газоподібного азоту і пристрій перетворення енергії газоподібного азоту. При цьому, містить тепловий насос Стирлінга і двигун Стирлінга, охолоджуваний рідким азотом, встановлені з кріогенною машиною Стирлінга в одному корпусі, що мають загальний шток з гідроциліндром і пневмоциліндром, і додатково містить як пристрій перетворення різниці енергії тепла і рідкого азоту принаймні один двигун Стирлінга. Винахід забезпечує підвищення ефективності розділяння газових сумішей з мінімальними енергетичними витратами. UA 99328 C2 (12) UA 99328 C2 UA 99328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі розділяння газів або їх сумішей за допомогою обробки холодом з використанням кріогенних газових машин і енергоперетворення тепловими насосами і двигунами, що працюють за циклом Стирлінга, і може бути використаний в різних галузях промисловості. В даний час відомі установки і системи для виробництва рідкого азоту і кисню, що містять кріогенну машину Стирлінга, ректифікаційну колону, теплообмінник для виморожування вологи та вуглекислоти, теплоізольовані місткості для рідкого азоту і кисню [Вопросы глубокого охлаждения./ Сб. статей под ред. М.П. Малкова. - М.: Иностр. литература, 1961. - С. 44; патенты РФ: № 2151976, МПК F25J 1/00, опубл. 27.06.2000; № 2151977, МПК F25J 1/02, F25J 3/00, опубл. 27.06.2000; № 2166710, МПК F25J 3/04, F25B 9/14, опубл. 10.05.2001]. Вказані установки дозволяють досить ефективно одержувати рідкий азот і кисень, виділяючи їх з повітря. Проте в повітрі і промислових газах міститься достатньо велика кількість інших газоподібних домішок, утилізація яких необхідна для зниження шкідливих викидів в атмосферу. Вказані пристрої і системи не дозволяють розділяти такі газові суміші на складові і утилізувати їх. Крім того, при роботі таких систем і установок виділяється величезна кількість тепла, яка викидається в атмосферу, що недоцільно з економічної і екологічної точки зору. Найближчою до винаходу, що заявляється, за технічною суттю і досягуваним результатом є комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, що містить кріогенну машину Стирлінга, ректифікаційну колону, теплообмінник для виморожування вологи та вуглекислоти, теплоізольовану місткість для рідкого азоту, насос високого тиску, трубопроводи рідкого і газоподібного азоту і пристрій перетворення енергії газоподібного азоту [патент РФ № 2162579, МПК F25J 1/02, F25B 9/14, опубл. 27.01.2001], вибрана як прототип. У вказаній системі можливо одержувати не тільки рідкий азот, але й зріджений природний газ, і при цьому використовувати енергію газоподібного азоту на здійснення корисної роботи, застосовуючи як пристрій перетворення енергії газоподібного азоту турбіну з електрогенератором, розташованим на одному валу з турбіною. Вадами відомої системи є: неможливість розділяння газових сумішей на складові; високі енергетичні втрати через неповне використовування одержуваного холоду і тепла, що виділяється при цьому; низька ефективність газифікації зрідженого газу, що приводить до невисокої ефективності всієї системи; висока енергоємність системи. Винахід, що заявляється, направлений на вирішення задачі розширення можливості розділяння різних газових сумішей на складові, повного використовування тепла, що виділяється при охолоджуванні, і холоду при газифікації зріджених складових з отриманням високого степеня перетворення енергії з різними температурами, що дозволить підвищити ефективність розділяння газових сумішей з мінімальними енергетичними витратами. Поставлена задача вирішується тим, що комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, що містить кріогенну машину Стерлінга, ректифікаційну колону, теплообмінник для виморожування вологи і вуглекислоти, теплоізольовану місткість для рідкого азоту, насос високого тиску, трубопроводи рідкого і газоподібного азоту і пристрій перетворення енергії газоподібного азоту, згідно з винаходом, містить тепловий насос Стирлінга і двигун Стирлінга, охолоджуваний рідким азотом, встановлені з кріогенною машиною Стирлінга в одному корпусі, що мають загальний шток з гідроциліндром і пневмоциліндром, і додатково містить як пристрій перетворення різниці енергії тепла і рідкого азоту принаймні один двигун Стирлінга. При цьому кріогенна машина і тепловий насос сполучені рекуператором, а тепловий насос з двигуном - рекуператором з тепловим акумулятором. Введення до складу комбінованої системи теплового насоса Стирлінга дозволяє зібрати всю теплову енергію, що виділяється при охолоджуванні газових сумішей, а двигун Стирлінга, що використовує це тепло і охолоджується рідким азотом, виробляє енергію для роботи всієї системи спільно з гідроциліндром і пневмоциліндром, який використовує енергію газоподібного азоту. Додатковий двигун Стирлінга використовує надлишок рідкого азоту і енергію теплового акумулятора або додаткове джерело теплової енергії для здійснення корисної механічної роботи. Суть комбінованої системи для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, що заявляється, пояснюється кресленням. Комбінована система містить встановлені в одному корпусі (на кресленні не показано) кріогенну машину Стирлінга 1, тепловий насос Стирлінга 2 і двигун Стирлінга 3, що мають 1 UA 99328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 загальний шток 4 з гідроциліндром 5 і пневмоциліндром 6, при цьому кріогенна машина 1 і тепловий насос 2 сполучені рекуператором 7, і тепловий насос 2 сполучений з двигуном З рекуператором 8 з тепловим акумулятором 9, ректифікаційну колону 10, трубопровід подачі газової суміші 11, теплообмінник 12 для виморожування вологи, теплообмінник 13 для виморожування вуглекислоти, теплообмінник 14 для зріджування газів з діапазоном температур -110 °C - -170 °C, трубопровід 15 охолодженої газової суміші з насосом 16, трубопровід 17 з теплоізольованою місткістю 18 зрідженої газової суміші, трубопровід 19 подачі зрідженої газової суміші насосом 20 в ректифікаційну колону 10, трубопровід 21 і теплоізольована місткість 22 для рідкого кисню, трубопровід 23 і насос високого тиску 24 подачі рідкого кисню в теплообмінник 14, трубопровід 25 подачі газоподібного кисню споживачу, трубопроводи 26 з теплоізольованими місткостями 27, 28 для рідких газових складових з температурою -110 °C - 170 °C, трубопровід 29 з теплоізольованою місткістю 30 для рідких газових складових з температурою -185 °C - -191 °C, трубопровід 31 з теплоізольованою місткістю 32 для рідкого азоту, трубопровід 33 з насосом 34 подачі рідкого азоту в двигуни Стирлінга 3 і 35, трубопровід 36 з рідкометалевим теплоносієм подачі енергії теплового акумулятора 9, вал відведення потужності 37 на електрогенератор 38, трубопровід 39 відведення газоподібного азоту на пристрій перетворення енергії газоподібного азоту на пневмоциліндр 6, трубопровід 40 відведення газоподібного азоту споживачу, трубопровід 41 відведення газоподібних складових водню, неону, гелію. Комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення працює наступним чином. Від зовнішнього джерела (на кресл. не показано) енергію підводять до гідроциліндра 5, приводячи в рух шток 4. Кріогенна машина 1 відкачує теплову енергію в рекуператор 6 з газової суміші, що надходить по трубопроводу 11. Зріджену газову суміш по трубопроводу 17 зливають в теплоізольовану місткість 18. Тепловий насос 2 перекачує теплову енергію з температурою +60 °C - +100 °C з рекуператора 7 в рекуператор 8 з тепловим акумулятором 9, підвищуючи температуру до +550 °C - +600 °C. З теплоізольованої місткості 18 зріджену газову суміш по трубопроводу 19 насосом 20 подають в ректифікаційну колону 10. Відокремлений рідкий кисень по трубопроводу 21 поступає в теплоізольовану місткість 22 і по трубопроводу 23 насосом 24 високим тиском його подають в теплообмінник 14, в якому зріджують складові газової суміші з температурою кипіння -110 °C - 170 °C і їх збирають по трубопроводах 26 в теплоізольовані місткості 27 і 28. По трубопроводу 25 газоподібний кисень з температурою -110 °C направляють в теплообмінник 13 для виморожування і збору вуглекислого газу з газової суміші. Нагрітий до -70 °C кисень направляють в теплообмінник 12 для видалення вологи з газової суміші, що надходить в систему. Охолоджену до -170 °C газову суміш насосом 16 по трубопроводу І 5 подають на кріогенну машину 1, де решта складових при охолоджуванні до -200 °C зріджуються. Не зріджені, але охолоджені до температури -200 °C водень, гелій і неон по трубопроводу 41 направляють для подальшого технологічного циклу. По трубопроводу 29 в теплоізольовану місткість 30 збирають відокремлювані складові газової суміші з температурою кипіння -185 °C - 191 °C і направляють на утилізацію. По трубопроводу 31 в теплоізольовану місткість 32 збирають рідкий азот і по трубопроводу 33 насосом 34 подають в систему охолоджування двигунів Стирлінга 3 і 35. При температурі рідкометалевого теплоносія теплового акумулятора 9+600 °C (873 K) і охолоджування рідким азотом -196 °C (77 K) термічний ККД двигуна 3 із зовнішнім підведенням і відведенням тепла рівний: ККД = (Тнагр - Тохол)/Тнагр = (873-77)/873=0,91. Це значить, що 91 % теплової енергії переходить в механічну, а відводити необхідно тільки 9 % підведеного тепла і рідкий азот, що залишився, можна використовувати в одному або декількох додаткових двигунах 35, а тепло для нагріву рідкометалевим теплоносієм підводити по трубопроводах 36. Якщо його бракуватиме в тепловому акумуляторі 9, то підводити від будьякого іншого джерела, наприклад, повітря в жарких регіонах. При цьому одержувана потужність і ККД будуть нижчими, але на повітряних теплообмінниках сконденсується велика кількість води, що знаходиться в атмосфері. При використовуванні сонячного і геотермального тепла двигуни 35 комбінованої системи працюють без шкідливих викидів в атмосферу і не змінюють тепловий баланс Землі. Нагрітий в двигунах 3 і 35 газоподібний азот по трубопроводу 39 направляють в пневмоциліндр 6 двоступеневого розширення азоту для використовування його енергії разом з енергією двигуна 3, забезпечуючи для роботи комбінованої системи зменшення її споживання ззовні. По трубопроводу 40 для утилізації залишкової енергії газоподібний азот направляють на турбіну (на схемі не показано) з електрогенератором 38. Газоподібні кисень і азот, нагріті до 2 UA 99328 C2 5 10 необхідної температури і змішані в необхідній для дихання пропорції, направляють в приміщення лікарень, підприємств і житла. Представлена схема показує загальні принципи роботи вузлів комбінованої системи, що заявляється, і може бути перенаправлена і доповнена для виконання спеціальних задач. Таким чином, комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, що заявляється, дозволила розширити діапазон розділяння різних газових сумішей на складові і надала можливість утилізувати шкідливі складові, повністю використовувати тепло, що виділяється при охолоджуванні, і холод при газифікації зріджених складових з отриманням ККД 91 % перетворення енергії з різними температурами в механічну, відкриваючи нові перспективи двигунам зовнішнього згорання, і значно підвищити ефективність розділяння газових сумішей, наприклад, видаляючи вуглекислий, чадний газ і метан у вугільних шахтах з мінімальними енергетичними витратами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Комбінована система для розділяння газових сумішей і енергоперетворення, що містить кріогенну машину Стирлінга, ректифікаційну колону, теплообмінник для виморожування вологи і вуглекислоти, теплоізольовану місткість для рідкого азоту, насос високого тиску, трубопроводи рідкого і газоподібного азоту і пристрій перетворення енергії газоподібного азоту, яка відрізняється тим, що містить тепловий насос Стирлінга і двигун Стирлінга, охолоджуваний рідким азотом, встановлені з кріогенною машиною Стирлінга в одному корпусі, що мають загальний шток з гідроциліндром і пневмоциліндром, і додатково містить як пристрій перетворення різниці енергії тепла і рідкого азоту принаймні один двигун Стирлінга. 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що кріогенна машина і тепловий насос сполучені рекуператором. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що тепловий насос з двигуном сполучені рекуператором з тепловим акумулятором. 3 UA 99328 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4