RU2163706C1

RU2163706C1 - Power refrigerating plant with liquefied natural gas

Info

Publication number: RU2163706C1
Application number: RU99122659A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Кириллов
Original assignee: Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-02-27

Abstract

FIELD: power engineering; gas regenerative machines; generation of mechanical or electrical power and cold. SUBSTANCE: liquefied natural gas is fed to refrigerating chamber from reservoir by means of pump through throttle valve. In cooling the space of chamber, liquefied gas is evaporated and gets heated at increase of pressure entering the vortex tube where gas is divided into two flows: cold flow and hot flow. Cold flow main runs through heat exchanger. Hot flow main runs through heater and turbine where additional power may be obtained due expansion of gas. Exhaust gases from Stirling engine pass through heater. Cooling the Stirling engines is performed by means of cooling system provided with cooler where heat exchange with surrounding medium, pump and heat exchanger takes place. EFFECT: enhanced efficiency of direct cycle converter; possibility of generating additional energy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и газовых регенеративных машин, работающих по циклу Стирлинга, предназначено для получения механической или электрической энергии, а также холода в энергетических устройствах, стационарных и транспортных автономных объектах. The invention relates to the field of energy and gas regenerative machines operating on the Stirling cycle, is intended to produce mechanical or electrical energy, as well as cold in energy devices, stationary and transport autonomous objects.

Известны технические решения по использованию сжиженного природного газа в качестве топлива автомобильного транспорта с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), включающие в себя двигатель и теплоизолированную емкость с криогенным жидким топливом. Однако переход на природный газ в ДВС приводит к падению КПД и ухудшению пусковых свойств двигателей (Кершенбаум В.Я., Фальк В.Э. Горизонты транспортной техники. М., "Транспорт", 1988. - стр. 109). Known technical solutions for the use of liquefied natural gas as a fuel in motor vehicles with internal combustion engines (ICE), including an engine and a heat-insulated tank with cryogenic liquid fuel. However, the transition to natural gas in the internal combustion engine leads to a drop in efficiency and deterioration of the starting properties of engines (Kershenbaum V.Ya., Falk V.E. Horizons of transport equipment. M., "Transport", 1988. - p. 109).

Известна схема холодильной установки с вихревой трубой, включающей в себя источник газа с повышенным давлением (компрессор), вихревую трубу, магистраль теплого потока с дроссельным клапаном, магистраль холодного потока (Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч. 1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л. 1974. - стр. 265.). A known scheme of a refrigeration unit with a vortex tube, which includes a gas source with high pressure (compressor), a vortex tube, a heat flow line with a throttle valve, a cold flow line (Theoretical foundations of heat and refrigeration. Part 1. Technical thermodynamics. Uch. manual edited by Prof. E.I. Guigo. L. 1974. - p. 265.).

Известна энергетическая установка с двигателем Стирлинга и низкотемпературным топливом, включающая в себя емкость с сжиженным газом, двигатель Стирлинга, линию подачи газа в камеру сгорания, проходящую через холодильник двигателя и обеспечивающая максимальное снижение нижней температуры цикла двигателя (Заявка РФ N 96115098. Бюл. N 29 от 20.10.98, стр. 200). Однако данная установка не предназначена для одновременного производства механической энергии и холода. A known power plant with a Stirling engine and low temperature fuel, including a container with liquefied gas, a Stirling engine, a gas supply line to the combustion chamber passing through the engine refrigerator and providing the maximum reduction in the lower temperature of the engine cycle (RF Application N 96115098. Bull. N 29 from 10.20.98, p. 200). However, this installation is not intended for the simultaneous production of mechanical energy and cold.

Известна система комбинированного использования сжиженного газа в холодильной установке транспортного средства, предназначенная для одновременного привода транспортного средства и получения холода, включающая в себя емкость с сжиженным газом, преобразователь прямого цикла (двигатель внутреннего сгорания) и линию подачи топлива с запорными и электромагнитными клапанами, осушителями, дроссельными устройствами, испарителем (холодильником) и ресивером (Патент РФ N 2053434. Бюл. N 3 от 27.01.96, F 17 D 1/02). Однако использование природного газа в качестве топлива, а также то, что газ по предложенной схеме подается при низкой отрицательной температуре, приводит к снижению КПД ДВС, более того, многократное дросселирование не позволяет использовать энергию фазового перехода для получения дополнительной полезной энергии. A known system for the combined use of liquefied gas in a vehicle refrigeration system, designed to simultaneously drive a vehicle and produce cold, including a tank with liquefied gas, a direct cycle converter (internal combustion engine) and a fuel supply line with shut-off and electromagnetic valves, driers, throttle devices, evaporator (refrigerator) and receiver (RF Patent N 2053434. Bull. N 3 from 01/27/96, F 17 D 1/02). However, the use of natural gas as a fuel, as well as the fact that gas according to the proposed scheme is supplied at a low negative temperature, leads to a decrease in the efficiency of the internal combustion engine, moreover, multiple throttling does not allow the use of phase transition energy to obtain additional useful energy.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД преобразователя прямого цикла энергохолодильной установки и возможности получения дополнительной полезной энергии. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of the direct cycle converter of an energy refrigeration unit and the possibility of obtaining additional useful energy.

Для достижения этого технического результата энергохолодильная установка со сжиженным природным газом, включающая в себя преобразователь прямого цикла, теплоизолированную емкость с криогенным топливом (например, сжиженным природным газом), линию подачи топлива с запорными и электромагнитными клапанами, дроссельным вентилем и холодильником (испарителем), снабжена в качестве преобразователя прямого цикла двигателем Стирлинга, системой охлаждения двигателя с охладителем, связанным с окружающей средой, и насосом, а также линией подачи топлива, включающей в себя криогенный погружной насос, регулирующий клапан, дроссельный вентиль, холодильную камеру, вихревую трубу, смесительную емкость, связанную с вихревой трубой магистралями холодного и теплового потоков с теплообменниками, причем магистраль холодного потока содержит теплообменник, через который проходит система охлаждения двигателя, а магистраль теплового потока содержит теплообменник-нагреватель и расширительную турбину с потребителем мощности на одном валу, при этом отработанные газы двигателя проходят через теплообменник-нагреватель магистрали теплового потока. To achieve this technical result, an energy-refrigerating unit with liquefied natural gas, which includes a direct cycle converter, a thermally insulated tank with cryogenic fuel (for example, liquefied natural gas), a fuel supply line with shut-off and electromagnetic valves, a throttle valve and a refrigerator (evaporator), is equipped with as a direct-cycle converter with a Stirling engine, an engine cooling system with an environmental cooler and a pump, as well as a supply line t a fuel comprising a cryogenic submersible pump, a control valve, a throttle valve, a refrigerating chamber, a vortex tube, a mixing tank connected to the vortex tube by heat and cold flow lines with heat exchangers, the cold flow line containing a heat exchanger through which the engine cooling system passes, and the heat flow line contains a heat exchanger-heater and an expansion turbine with a power consumer on one shaft, while the exhaust gases of the engine pass through heat exchanger-line heater heat flux.

Введение в состав энергохолодильной установки с ожженным природным газом двигателя Стирлинга, система охлаждения которого связана через теплообменник магистралью холодного потока, вихревой трубы с магистралями холодного и теплового потоков, имеющих теплообменники и соединяющихся в смесительной емкости, причем магистраль теплового потока имеет турбину с потребителем мощности, позволяет получить новое свойство, заключающееся в использовании низкотемпературного топлива для частичного охлаждения двигателя и холодильной камеры, а после теплообмена с отработанными газами двигателя - в качестве рабочего тела для расширительной турбины с получением дополнительной энергии. The introduction of the Stirling engine, a cooling system of which is connected through a heat exchanger with a cold flow line, a vortex tube with cold and heat flow lines having heat exchangers and connected in a mixing tank, the heat flow line has a turbine with a power consumer, allows to obtain a new property consisting in the use of low-temperature fuel for partial cooling of the engine and the cooling chamber, and after le heat exchange with engine exhaust gases - as a working fluid for an expansion turbine with additional energy.

На чертеже изображена энергохолодильная установка со сжиженным природным газом. The drawing shows an energy refrigeration unit with liquefied natural gas.

Энергохолодильная установка состоит из емкости со сжиженным газом 1, линии подачи топлива 2, включающей в себя погружной насос 3, регулирующий клапан 4, дроссельный вентиль 5, холодильную камеру 6, вихревую трубу 7, магистраль холодного потока 8 с теплообменником 9, магистраль теплового потока 10 с нагревателем 11 и расширительной турбиной 12, расположенной на одном валу с потребителем мощности 13, смесительной емкости 14, двигателя Стирлинга 15, магистрали отработанных газов 16, проходящих через нагреватель 11. Двигатель Стирлинга 14 включает в себя холодильник 17, камеру сгорания 18 и систему охлаждения 19, состоящую из охладителя 20, связанного с окружающей средой, насоса 21 и проходящую через теплообменник 9 магистрали холодного потока 8. An energy-refrigeration unit consists of a tank with liquefied gas 1, a fuel supply line 2, which includes a submersible pump 3, a control valve 4, a throttle valve 5, a cooling chamber 6, a vortex tube 7, a cold flow line 8 with a heat exchanger 9, a heat flow line 10 with a heater 11 and an expansion turbine 12 located on one shaft with a consumer of power 13, a mixing tank 14, a Stirling engine 15, an exhaust gas line 16 passing through the heater 11. The Stirling engine 14 includes a boat 17, a combustion chamber 18 and a cooling system 19, consisting of a cooler 20 associated with the environment, a pump 21 and passing through a heat exchanger 9 of the cold flow line 8.

Энергохолодильная установка со сжиженным природным газом работает следующим образом. Energy refrigerated installation with liquefied natural gas works as follows.

Сжиженный природный газ из емкости 1 с помощью насоса 3 поступает в линию подачи топлива 2, проходит через регулирующий клапан 4, дросселируется в вентиле 5 и поступает в холодильную камеру 6, где охлаждает внутреннюю среду камеры 6 до нужной температуры, при этом сам испаряется с повышением давления и температуры. Из холодильной камеры 6 газ поступает в вихревую трубку 7, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток по магистрали 8 поступает в смесительную емкость 14, проходя через теплообменник 9, где происходит теплообмен с системой охлаждения 19. Теплый поток по магистрали 10 проходит через нагреватель 11, где нагревается до высокой температуры с повышением давления за счет теплообмена с отработанными газами двигателя Стирлинга 15. После нагревателя 11 газ поступает в турбину 12, где, расширяясь, совершает дополнительную полезную работу, передаваемую потребителю мощности 13, а затем также поступает в смесительную емкость 14. Из нее газ поступает в камеру сгорания 18 двигателя 15. Отработанные газы по магистрали 16, проходят через нагреватель 11 и удаляются в окружающую среду. С целью охлаждения двигателя Стирлинга 15 предусмотрена система охлаждения 19. По этой системе нагретая от рабочего тела двигателя 15 охлаждающая жидкость из холодильника 17 с помощью насоса 21 подается сначала в охладитель 20, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается то температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в теплообменник 9, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с холодным потоком магистрали 8, и поступает вновь в холодильник 17. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом двигателя 15 происходит снижение нижней температуры цикла двигателя Стирлинга 15, что приводит к увеличению КПД. The liquefied natural gas from the tank 1 through the pump 3 enters the fuel supply line 2, passes through the control valve 4, throttles in the valve 5 and enters the refrigeration chamber 6, where it cools the internal environment of the chamber 6 to the desired temperature, while it evaporates with increasing pressure and temperature. From the refrigerating chamber 6, the gas enters the vortex tube 7, where it is divided into two streams: cold and warm. The cold stream through line 8 enters the mixing tank 14, passing through a heat exchanger 9, where heat is exchanged with the cooling system 19. The warm stream through line 10 passes through a heater 11, where it is heated to high temperature with increasing pressure due to heat exchange with the exhaust gases of the Stirling engine 15. After the heater 11, the gas enters the turbine 12, where, expanding, performs additional useful work transferred to the consumer power 13, and then also enters the mixing tank 14. From it, the gas post flushes the combustion chamber 18 of engine 15. Exhaust gases via line 16, passed through heater 11 and removed to the environment. In order to cool the Stirling engine 15, a cooling system 19 is provided. According to this system, the cooling liquid heated from the working fluid of the engine 15 from the cooler 17 is first pumped to the cooler 20 by means of a pump 21, where heat is exchanged with the environment (for example, atmospheric air), coolant is then cooled by ambient temperature. Then, the liquid is supplied to the heat exchanger 9, where it is cooled to a temperature below the ambient temperature due to heat exchange with the cold stream of the line 8, and enters again into the refrigerator 17. Due to the heat exchange of the coolant with a low temperature and the working fluid of the engine 15, the lower cycle temperature decreases Stirling engine 15, which leads to an increase in efficiency.

Источники информации
1. Кершенбаум В. Я. , Фальк В.Э. Горизонты транспортной техники. М., "Транспорт", 1988. - стр. 109.Sources of information
1. Kershenbaum V. Ya., Falk V.E. Horizons of transport equipment. M., "Transport", 1988. - p. 109.

2. Теоретические основы тепло- и хладотехники. Ч. 1. Техническая термодинамика. Уч. пособие под ред. проф. Э.И. Гуйго. Л. 1974. - стр. 265. 2. Theoretical foundations of heat and refrigeration. Part 1. Technical thermodynamics. Uch. allowance under the editorship of prof. E.I. Guigo. L. 1974. - p. 265.

3. Заявка РФ N 96115098. Бюл. N 29 от 20.10.98, стр. 200. 3. RF application N 96115098. Bull. N 29 from 10.20.98, p. 200.

4. Патент РФ N 2053434. Бюл. N 3 от 27.01.96. - прототип. 4. RF patent N 2053434. Bull. N 3 from 01/27/96. - prototype.

Claims

An energy-refrigerated installation with liquefied natural gas, which includes a direct-cycle converter, a thermally insulated tank with cryogenic fuel (for example, liquefied natural gas), a fuel supply line with shut-off and electromagnetic valves, a throttle valve and a refrigerator (evaporator), characterized in that it is equipped with as a direct-cycle converter with a Stirling engine, an engine cooling system with a cooler connected with the environment, and a pump, as well as a fuel supply line, including cryogenic submersible pump, control valve, throttle valve, refrigeration chamber, vortex tube, mixing tank connected to the vortex tube by cold and warm flow lines with heat exchangers, the cold flow line containing a heat exchanger through which the engine cooling system passes, and the heat flow line contains a heat exchanger-heater and an expansion turbine with a power consumer on the same shaft, while the exhaust gases of the engine pass through the heat exchanger-heater agistrali warm flow.