RU2815640C1 - Энергетическая установка ледокола - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергетике, в частности к области машиностроения. Технический результат - создание эффективной энергетической установки для районов с вечной мерзлотой с использованием восполняемых природных источников энергии, обеспечивающей низкую затрату энергоресурсов при простоте конструкции. Предложенная энергетическая установка ледокола включает комбинированный компрессор 1 с пневмодвигателем 2. Коленчатые валы 3 компрессора 1 и пневмодвигателя 2 соединены между собой муфтой 4. Коленчатый вал компрессора 1 через выходной вал 3.1 связан с узлом изменения скорости вращения 13. Компрессор 1 и пневмодвигатель 2 включают цилиндро-поршневую группу, а также головку блока цилиндра с системой впуска и выпуска с клапанными механизмами. Узел выпуска пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода связан с воздушным теплообменником 6, размещенным на ледоколе на открытом воздухе, и далее связан с узлом 7 впуска компрессора 1 для передачи охлажденного до уличной температуры фреона. Узел выпуска компрессора 1 по второму контуру трубопровода связан с водяным теплообменником 9, размещенным на дне ледокола в непосредственном контакте с водой и далее связан с узлом 10 впуска пневмодвигателя для передачи расширенного и разогретого до заданной температуры фреона для осуществления работы пневмодвигателя. Во втором контуре трубопровода установлен двухходовой клапан 11 для перенаправления и регулировки степени подачи фреона в обход водяного теплообменника 9 для регулировки оборотов пневмодвигателя или его полной остановки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к энергетической пневматической установке ледокола, работающей от энергии тепла воды, которая может быть использована в качестве замены атомных реакторов, паровых систем для привода ледоколов.

В сегодняшнее время набирают обороты идеи, связанные с развитием альтернативных источников энергии, использование энергии солнца, ветра, земли и пр. для сохранения природных богатств и задействия восполняемых природных ресурсов, что особенно актуально в условиях вечной мерзлоты крайнего севера и полярной Арктики.

Из уровня техники широко известны силовые установки ледоколов, работающие на атомных реакторах.

Однако, эти установки дороги в изготовлении и небезопасны, поскольку атомная энергия связана с высоким радиоактивным фоном и риском чрезвычайных ситуаций, в случае сбоя в работе.

По принципу работы заявленная энергетическая установка частично схожа с воздушным тепловым насосом, обеспечивающим выработку электрической энергии с СОР составляющим 4,5 и выше при температурах воздуха не ниже -10°С.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной энергетической установки ледокола можно принять решение RU 2680905 С1, 28.02.2019, раскрывающее электрогидравлическую энергетическую систему ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки, содержащей счетчик моторесурса турбины, регулятор частоты вращения ротора турбины, к входу которого подключены задатчик номинальной и датчик фактической частоты вращения ротора турбины, а также содержащая электрогидравлические преобразователи, выходами соединенные с гидроцилиндрами силовых гидроприводов управления регулирующими клапанами турбины, а входами соединенные с выходами сумматоров, входы которых подключены к выходам датчиков обратных связей по положению регулирующих клапанов и выходу регулятора частоты вращения турбины, при этом между выходом регулятора частоты вращения турбины и входами сумматоров введены программируемые ограничители сигнала, управляющие входы которых подключены к счетчику моторесурса турбины.

Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде необходимости использования дорогого электрического и парового источника энергии, что в условиях крайнего севера является затруднительным. Кроме того, устройство имеет сложную конструкцию, требующую синхронизации большого количества узлов и механизмов для корректной работы установки.

В основу предложенного изобретения поставлена задача разработки конструкции энергетической установки ледокола, устраняющую известные недостатки аналогов.

Техническим результатом является создание эффективной энергетической установки для районов с вечной мерзлотой с использованием восполняемых природных источников энергии, обеспечивающей низкую затрату энергоресурсов при простоте конструкции.

Данный результат достигается тем, что энергетическая установка ледокола включает комбинированный компрессор с пневмодвигателем, где коленчатые валы компрессора и пневмодвигателя соединены между собой муфтой, а коленчатый вал компрессора через выходной вал связан с узлом изменения скорости вращения, где компрессор и пневмодвигатель включают цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впуска и выпуска с клапанными механизмами, при этом,

узел выпуска пневмодвигателя по первому контуру трубопровода связан с, по меньшей мере, одним воздушным теплообменником, выполненным с возможностью его размещения на ледоколе на открытом воздухе и, далее связан с узлом впуска компрессора для передачи охлажденного до уличной температуры фреона,

узел выпуска компрессора по второму контуру трубопровода связан с, по меньшей мере, одним водяным теплообменником, выполненным с возможностью его размещения на дне ледокола в непосредственном контакте с водой и, далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи расширенного и разогретого до заданной температуры фреона для осуществления работы пневмодвигателя, при этом

во втором контуре трубопровода после узла выпуска компрессора и до водяного теплообменника установлен 2-х ходовой кран, выполненный с возможностью перенаправления и регулировки степени подачи фреона по трубопроводу малого контура к узлу впуска пневмодвигателя, минуя указанный, по меньшей мере, один водяной теплообменник, для регулировки оборотов пневмодвигателя или его полной остановки работы.

Муфта является упругой муфтой.

Узел изменения скорости вращения является редуктором или коробкой передач.

Запуск установки осуществляется электрическим стартером.

Компрессор и пневмодвигатель установлены в герметичном корпусе.

На выходном валу компрессора и до узла изменения скорости вращения установлен уплотнительный узел.

Далее принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фигуре 1, где изображен пример схемы энергетической установки ледокола, фиг. 2 вариант размещения энергетической установки на ледоколе, где

1 - компрессор;

2 - пневмодвигатель;

3 - коленчатый вал;

3.1 - выходной вал;

4 - муфта;

5 - узел выпуска пневмодвигателя;

6 - воздушный теплообменник;

7 - узел впуска компрессора;

8 - узел выпуска компрессора;

9 - водяной теплообменник;

10 - узел впуска пневмодвигателя;

11 - 2-х ходовой кран;

12 - герметичный корпус;

13 - узла изменения скорости вращения;

14 - уплотнительный узел;

Энергетическая установка ледокола включает комбинированный компрессор 1 с пневмодвигателем 2. Коленчатые валы 3 компрессора 1 и пневмодвигателя 2 соединены муфтой 4. Коленчатый вал 3 компрессора 1 соединен с выходным валом 3.1 муфтой 4. На выходной вал 3.1 компрессора 1 установлен узел изменения скорости вращения 13. Муфта 4 является предпочтительно упругой муфтой. Узел изменения скорости вращения 13 является, как правило, редуктором или коробкой передач или вариатором, для передачи вращения ледоколу на гребной винт. На выходном валу 3.1 до узла изменения скорости вращения 13 установлен уплотнительный узел 14, исключающий утечку рабочего тела (фреона). Уплотнительный узел 14 может иметь различную конструкцию, при этом его особенности конструкции не являются частью испрашиваемого объема охраны данной заявки.

В качестве примера на фиг. 1 изображена энергетическая установка с 8-ми цилиндровым компрессором 1 и 8-ми цилиндровым пневмодвигателем 2, однако количество цилиндров может быть и иным. На выходном валу 3.1 предпочтительно также установить муфту 4, для обеспечения соосности коленчатого вала 3 компрессора 1 и выходного вала 3.1 при работе установки. Компрессор 1 и пневмодвигатель 2 предпочтительно установлены в герметичном корпусе 12, что обеспечивает герметизацию всей замкнутой установки. Установка абсолютно герметична и потери в ней рабочего тела (фреона) исключены.

Компрессор 1 и пневмодвигатель 2 включают ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска и выпуска с клапанными механизмами. Конструкция ЦПГ и ГБЦ не является предметом защиты данной заявки, может иметь различное исполнение, для осуществления работы установки. Поршневой блок компрессора 1 приводится в движение узлами пневмодвигателя 2, например, посредством элементов толкания поршней компрессора, размещенных на коленчатом валу 3 пневмодвигателя 2 или иной схеме, обеспечивающей приведение в движение поршней компрессора 1.

Наиболее эффективная работа установки осуществляется при использовании в качестве рабочего тела - низкокипящего фреона. Фреон обеспечивает большой коэффициент теплового расширения, большое изменение давления при нагреве (расширение) и охлаждении (сужение), нужный диапазон рабочих температур, что положительно сказывается при его использовании в установке и ее эффективности.

Узел выпуска 5 пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода связан с, по меньшей мере, одним воздушным теплообменником 6. Воздушный теплообменник 6 выполнен с возможностью его размещения на ледоколе на открытом воздухе, например на открытой палубе. На данном этапе работы установки осуществляется охлаждение фреона до уличной температуры или близкой к ней, что в условиях крайнего севера, как правило, составляет -25°С и ниже. Количество воздушных теплообменников 6 может быть различным, в зависимости от мощности установки, уличной температуры, объема компрессора 1 и пневмодвигателя 2 и иных факторов. На схеме по фиг. 1 установлены две пары по два воздушных теплообменника 6, работающих параллельно в общем контуре.

Контур трубопровода далее связан с узлом впуска 7 компрессора 1 для передачи охлажденного до уличной температуры фреона в его узел впуска 7. Сжатый, но еще холодный фреон через узел выпуска 8 компрессора 1 по второму контуру трубопровода проходит через, по меньшей мере, один водяной теплообменник 9. Водяной теплообменник 9 выполнен с возможностью его размещения на дне ледокола в непосредственном контакте с водой. На данном этапе фреон нагревается до заданной рабочей температуры в соответствии с температурой воды или близкой к ней (около 0-+5°С) и, увеличиваясь в объеме, поступает по контуру трубопровода в узел впуска 10 пневмодвигателя 2 для осуществления его работы.

После узла выпуска 8 компрессора 1 по второму контуру трубопровода и до водяного теплообменника 9 установлен 2-х ходовой кран 11. Данный 2-х ходовой кран 11 выполнен с возможностью перенаправления (в ручном или автоматическом режиме) и регулировки степени подачи фреона по трубопроводу по малому кругу для регулировки оборотов пневмодвигателя 2 или полной его остановки работы. Например, при закрытии 2-х ходового крана 11 на 50% половина фреона будет поступать в водяной теплообменник 9, а половина идти по малому контуру, не подогреваясь, тем самым снижая рабочую температуру фреона при его входе в узел впуска 10 пневмодвигателя 2, и, соответственно, снижая обороты пневмодвигателя 2 и установки в целом.

Воздушный теплообменник 6 и водяной теплообменник 9 - это техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры. Как правило, теплообменник выполняется в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, обеспечивающими нагрев/охлаждение рабочей среды. Конструкция теплообменников может быть и иной, например, спиральный контур и прочие виды.

Воздушный теплообменник 6 имеет, как правило, радиаторный блок и вентилятор для снятия тепловой энергии и охлаждения фреона. Для повышения эффективности охлаждения и/или в случае излишне высокой температуры наружного воздуха (как резервный источник охлаждения) могут дополнительно в контуре применяться более эффективные методы охлаждения, например гликолевый блок охлаждения.

Необходимо пояснить, что в качестве источника тепла используется положительная энергия воды водоема, где эксплуатируется ледокол, которая при любых отрицательных температурах воздуха остается положительной, в пределах +1+5°С. При этом температура воздуха в районах крайнего севера практически никогда не превышает -25°С. За счет данной разницы температур и происходит охлаждение и нагрев рабочего тела - фреона, обеспечивающего работу установки при его расширении.

Поступающее в узел впуска 10 пневмодвигателя 2 разогретое до рабочей температуры рабочее тело (фреон) способствует осуществлению работы пневмодвигателя 2, приводя к работе ЦПГ и осуществлению передачи вращения коленчатым валам 3 и выходному валу 3.1.

Принцип работы установки.

Осуществляют запуск энергетической установки, например, посредством стартера или иного узла запуска, приводящего во вращение коленчатые валы 3 и выходной вал 3.1.

За счет вращения выходного вала 3.1 запускаются в работу ЦПГ компрессора 1 и пневмодвигателя 2, связанные между собой муфтой 4.

Клапанные механизмы компрессора 1 с пневмодвигателем 2 начинают перекачивать фреон.

В цилиндры компрессора 1 засасывается фреон через узел впуска 7 компрессора 1 и далее, через узел выпуска 8 компрессора 1 направляется по второму контуру трубопровода в, по меньшей мере, один водяной теплообменник 9, выполненный с возможностью его размещения на дне ледокола в непосредственном контакте с водой. На данном этапе фреон, проходя через водяной теплообменник 9, контактирующий с водой прогревается с уличной температуры (-25°С и ниже) до температуры, близкой к температуре воды (около +3°С). Разогретый фреон значительно расширятся и поступает по второму контуру трубопровода в узел впуска 10 пневмодвигателя 2, что приводит к его работе.

Далее, через узел выпуска 5 пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода фреон проходит через, по меньшей мере, один воздушный теплообменник 6, выполненный с возможностью его размещения на ледоколе на открытом воздухе, где осуществляется охлаждение фреона до уличной температуры и его значительное сжатие. И, далее, по первому контуру трубопровода фреон попадает в узел впуска 7 компрессора 1. Цикл повторяется. Работа пневмодвигателя 2 обеспечивает передачу вращения через выходной вал 3.1 на узел изменения скорости вращения 13 и гребной винт.

Для остановки установки или уменьшения оборотов пневмодвигателя задействуется 2-х ходовой кран 11, выполненный с возможностью перенаправления и регулировки степени подачи фреона по трубопроводу по малому кругу, для регулировки оборотов пневмодвигателя 2 или полной его остановки работы.

Пример 1

Энергетическая установка ледокола включает комбинированный 12-ти цилиндровый компрессор 1 с 12-ти цилиндровым пневмодвигателем 2, размещенные в герметичном корпусе 12,

- коленчатые валы 3 компрессора 1 и пневмодвигателя 2 соединены муфтой 4,

- коленчатый вал 3 компрессора 1 через муфту 4 соединен с выходным валом 3.1, на котором установлен узел изменения скорости вращения 13 в виде коробки передач,

- компрессор 1 и пневмодвигатель 2 включают ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска и выпуска с клапанными механизмами, при этом,

- узел выпуска 5 пневмодвигателя 2 по первому контуру трубопровода связан с шестью воздушными теплообменниками 6, выполненными с возможностью их размещения на ледоколе на открытом воздухе, и далее связан с узлом впуска 7 компрессора 1 для передачи охлажденного до уличной температуры фреона,

- узел выпуска 8 компрессора 1 по второму контуру трубопровода связан с четырьмя водяными теплообменниками 9, выполненными с возможностью их размещения на дне ледокола в непосредственном контакте с водой, и далее связан с узлом впуска 10 пневмодвигателя 2 для передачи разогретого до заданной температуры фреона, для осуществления работы пневмодвигателя 2,

- после узла выпуска 8 компрессора 1 по второму контуру трубопровода и до водяного теплообменника 9 установлен 2-х ходовой кран 11, выполненный с возможностью перенаправления и регулировки степени подачи фреона по трубопроводу по малому кругу.

Таким образом, созданная конструкция эффективной энергетической установки для районов с вечной мерзлотой с использованием восполняемых природных источников энергии, обеспечивает низкую затрату энергоресурсов при простоте ее конструкции.

Claims (11)

1. Энергетическая установка ледокола, характеризующаяся тем, что включает комбинированный компрессор с пневмодвигателем, где

коленчатые валы компрессора и пневмодвигателя соединены между собой муфтой, при этом коленчатый вал компрессора через выходной вал связан с узлом изменения скорости вращения, где

компрессор и пневмодвигатель включают цилиндро-поршневую группу, а также головку блока цилиндра с системой впуска и выпуска с клапанными механизмами, при этом

узел выпуска пневмодвигателя по первому контуру трубопровода связан с, по меньшей мере, одним воздушным теплообменником, выполненным с возможностью его размещения на ледоколе на открытом воздухе и далее связан с узлом впуска компрессора для передачи охлажденного до уличной температуры фреона,

узел выпуска компрессора по второму контуру трубопровода связан с, по меньшей мере одним водяным теплообменником, выполненным с возможностью его размещения на дне ледокола в непосредственном контакте с водой и далее связан с узлом впуска пневмодвигателя для передачи расширенного и разогретого до заданной температуры фреона для осуществления работы пневмодвигателя, при этом

во втором контуре трубопровода после узла выпуска компрессора и до водяного теплообменника установлен 2-х ходовой кран, выполненный с возможностью перенаправления и регулировки степени подачи фреона по трубопроводу малого контура к узлу впуска пневмодвигателя, минуя указанный, по меньшей мере, один водяной теплообменник для регулировки оборотов пневмодвигателя или его полной остановки работы.

2. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что муфта является упругой муфтой.

3. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что узел изменения скорости вращения является редуктором или коробкой передач.

4. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что запуск установки осуществляется электрическим стартером.

5. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что компрессор и пневмодвигатель установлены в герметичном корпусе.

6. Установка по п. 1, характеризующаяся тем, что на выходном валу компрессора и до узла изменения скорости вращения установлен уплотнительный узел.

Images