ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ КАМЕРЫ ДЕТОНАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ

Изобретение относится к области энергетики и двигателестроения и предназначено для работы в качестве энергоустановки для генерации энергии и тепла в наземных условиях. Кроме того, заявленная энергоустановка может функционировать без связи с атмосферой в составе глубоководных аппаратов, подводных лодок и космических кораблей.

Известны способы использования процесса бескислородного разложения ацетилена для синтеза технического углерода, но не для производства энергии или тяги.

Известен способ получения технического углерода в кольцевом реакторе периодического действия. Волну детонации инициируют добавкой кислородо-водородной смеси в зону поджига. Продукты однократного импульсного синтеза выводят продувкой сжатым воздухом (Патент РФ 2325413 С1 от 27.05.2008).

Известен способ получения нанодисперсного углерода и устройство для его реализации, основанный на приготовлении смеси, включающей ацетилен и/или керосин, впуске смеси в детонационную камеру двумя потоками с различным коэффициентом избытка окислителя, ее периодической детонации с частотой 100-2000 Гц и последующим охлаждением продуктов детонации. Устройство включает в себя корпус с детонационной камерой, сопло и инициатор детонации (Заявка на Патент РФ 2009115973/05 от 28.04.2009).

Известна полезная модель модифицированного реактора синтеза углеродных наноструктур с использованием активированного водорода, отличающаяся тем, что для возбуждения волны горения вводится дополнительная система электродов, которая позволяет использовать для осаждения углеродного депозита волну бескислородного горения ацетилена (Патент РФ №93380 U1 от 27.04.2010).

Недостатком вышеперечисленных способов и устройств является то, что энергия и водород, выделяющиеся при бескислородной детонации ацетилена, никак не используются.

Примером устройства использующего энергию детонации для создания тяги может служить пульсирующий детонационный двигатель (Патент СССР №1672933 от 22.04.91 г).

В работе [Применение пульсирующих двигателей с детонационным горением в секретных летательных аппаратах, БИНТИ - 1, "Авиация и космос", № 8 от 25.02.92 г.] описан пульсирующий двигатель детонационного горения с детонационной камерой. Двигатель имеет плоскую или специальной формы переднюю стенку и цилиндрические боковые стенки, а задний ее конец открыт и снабжен соплом типа сопла ракетного двигателя. Камера снабжена также устройством, инициирующим детонацию горючей смеси.

Известен пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который содержит входное устройство с детонационной камерой, насадок к нему и систему подачи продуктов газогенерации. Одновременно с поступлением сверхзвукового потока воздуха через проточный канал входного устройства в детонационную камеру подаются продукты газогенерации с избытком горючего. Тяга создается при расширении продуктов детонационного горения в импульсном режиме (Патент РФ №2059852 С1 от 10.05.1996).

Недостатком данных двигателей является то, что тепло, выделяемое при работе этих устройств, никак не используется, а рабочий процесс зависит от подачи окислителя (воздуха). При этом данные устройства выбрасывают в атмосферу углекислый газ.

Известны наземные энергоустановки, использующие продукты импульсного детонационного горения топлива с воздухом для генерации электроэнергии при помощи турбины.

Известна установка на основе пульсирующего детонационного двигателя для вращения турбины. Установка включает детонационную камеру с системой подачи горючего и окислителя через заданные интервалы времени, систему инициирования детонации и турбину, приводящуюся в движение энергией, возникающей при детонации газовой смеси (Патент US 7367194 06.05.2008).

Известна наземная установка на основе импульсной детонационной камеры сгорания для производства энергии. Установка включает как минимум два компрессора, детонационную камеру и турбину. Система охлаждения детонационной камеры устроена таким образом, что тепло, выделяющееся от нагретых стенок, используется для нагрева поступающих в детонационную камеру окислителя и горючего (Патент US 7721523 25.05.2010).

Недостатками данных устройств является зависимость от подачи окислителя (воздуха) в камеру сгорания, а также то, что данные устройства выбрасывают в атмосферу углекислый газ.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемой импульсной детонационной энергетической установке является принятый за прототип наземный гибридный двигатель на основе импульсной детонационной камеры для генерации энергии (заявка на Патент US 2010/0192536 А1 05.08.2010). Двигатель включает компрессор, систему выравнивания давления для предотвращения запирания компрессора, систему подачи горючего, блок камер для организации пульсирующей детонации, сопловой блок для подачи горячих продуктов детонации на турбины, турбину высокого давления и турбину низкого давления.

Признаками, отличающими заявленное изобретение от известного прототипа, являются наличие детонационной камеры с магистралью подачи горючего (ацетилена), сепаратор углеродных наночастиц, вторая детонационная камера для сжигания чистого водорода, полученного в процессе бескислородной детонации ацетилена, которые позволяют избавиться от выброса углекислого газа в атмосферу при работе энергоустановки и дополнительно получать мелкодисперсный технический углерод.

Задачей заявленного изобретения является предотвращение выбросов углекислого газа при производстве энергии из углеводородного топлива. При этом технический результат достигается путем бескислородного разложения ацетилена в пульсирующем детонационном режиме.

Принцип действия энергетической установки основан на саморазложении ацетилена на водород и мелкодисперсный технический углерод с выделением тепловой энергии в пульсирующем детонационном режиме, сепарировании мелкодисперсного технического углерода, детонационном сжигании водорода с получением тепловой и кинетической энергии струи пара для вращения турбины генератора электроэнергии. Устройство может использоваться как в качестве тепловой машины, так и для получения электроэнергии. В случае отсутствия второй детонационной камеры сжигания водорода и турбины электрогенератора заявленное устройство может использоваться в качестве анаэробной энергетической установки, производящей тепловую энергию и водород для использования его в качестве горючего для электрохимических генераторов (топливных элементов).

Энергетический эффект установки по сравнению со схемой сжигания ацетилена в воздухе достигается за счет конверсии топлива в водород и мелкодисперсный углерод с выделением тепловой энергии и последующего детонационного сжигания водорода. Предотвращением сжигания мелкодисперсного углерода в установке достигается исключение выбросов СО₂ в атмосферу и получение ценного для химической промышленности нанодисперсного (30-40 нм) технического углерода (стабилизатор полимеров, порошок для печатающих устройств, красок и пластмасс, наполнитель для резины).

Сравним энергетику обычного сгорания стехиометрической смеси ацетилена с воздухом с энерговыделением при комплексном цикле в предлагаемой установке.

Для создания стехиометрической смеси ацетилена с воздухом требуется 2.5 молекулы кислорода на каждую молекулу ацетилена. Таким образом, энергия, выделяемая при сгорании ацетилена (1260 кДж/моль), в большой мере расходуется на разогрев всей смеси, содержание ацетилена в которой составляет всего 7.75%:

С₂Н₂+2.5(O₂+3.76 N₂)→2СO₂+Н₂O(газ)+9.4 N₂+105 КДж/моль (на смесь)

В заявленной установке предлагается проводить детонационное саморазложение ацетилена, известное из литературы (Б.А. Иванов, Физика взрыва ацетилена, М.: Изд. Химия, 1969; V.I. Babushok, A.W. Miziolek, Condensation flame of acetylene decomposition, Combustion and flame, V. 136, 2004, P.141-145; A.B. Емельянов, A.B. Еремин, B.E. Фортов, Формирование детонационной волны при термическом разложении ацетилена, Письма в ЖЭТФ, Т. 92, №2, 2010, С.101-105; А.В. Емельянов, А.В. Еремин, В.Е. Фортов, Формирование детонационной волны при химической конденсации углеродных наночастиц, Инженерно-физический журнал, Т.83, №6, 2010, С.1130-1141).

С₂Н₂→2С(газ)+Н₂(газ)-1213 кДж/моль,

в результате чего образуется сильно пересыщенный пар углерода, который очень быстро конденсируется с выделением большого количества энергии:

2С(газ)→2С(графит)+2×720 кДж/моль+1440 кДж/моль.

Таким образом, даже на этом этапе работы установки выделяется энергия в количестве 227 кДж/моль, не только поддерживающая детонационную волну, но и образующая высокотемпературные (около 2500 К) горючие продукты - водород и углеродные наночастицы - сажу.

Дальнейший цикл работы установки предусматривает отделение углеродных наночастиц от водорода и сжигание последнего с дополнительным выделением энергии:

Н₂+0.5 (O₂+3.76 N₂)→Н₂O(газ)+1.88N₂+144 кДж/моль (на смесь).

Таким образом, суммарный энергетический выход предлагаемой установки составит

144+1440-1213=371 кДж/моль,

что более чем в 3.5 раза превышает энергетический выход обычного сгорания ацетилена (105 кДж/моль). При этом отсутствует выхлоп СО₂ и появляется большое количество ценного продукта - сажи, используемой в различных отраслях промышленности.

В ряде случаев (например, для использования устройства как анаэробной энергоустановки) ацетилен может быть получен при помощи водо-карбидного генератора по реакции:

СаС₂+Н₂O→С₂Н₂+Са(ОН)₂+129 кДж/моль

При этом из 1 кг карбида получают 205-372 л ацетилена в зависимости от условий процесса. Производство самого же карбида происходит на основе реакции:

СаО+3С→СаС₂+СО-452,5 КДж/моль

Стоимость 1 кг карбида на рынке составляет около 20-25 руб за кг.

Другим источником ацетилена может быть плазмохимический пиролиз сырой нефти в плазменной струе водорода, который приводит к выходу 85-92% ацетилена в смеси с этиленом, содержание которого не превышает 10% от ацетилена. При этом затраты на 1 кг суммы ацетилена и этилена равны 4-4.4 кВт/ч [Л.С. Полак, Плазмохимические процессы в нефтехимии, Вестник РАН, №3 1972, С. 26].

Работа устройства как наземной энергетической установки осуществляется следующим способом. Ацетилен из баллона или ацетиленового генератора по магистрали подается в первую детонационную камеру. На магистрали установлен водяной затвор для предотвращения проникновения волны детонации ацетилена в баллон или газогенератор. Открытие и запирание магистрали осуществляется в режиме газодинамического клапана при помощи пульсаций давления в детонационной камере, возникающих при прохождении детонационной волны. Газодинамический клапан (главный параметр - отношение диаметра подводящей магистрали к диаметру детонационной камеры) рассчитывается исходя из давления на стенку детонационной камеры и давления потока ацетилена на входе в нее. Первая детонационная камера снабжена инициатором прямой детонации ацетилена, расположенным у заднего открытого конца. Инициация производится периодически при заполнении камеры новой порцией ацетилена. При этом возникшая детонационная волна движется к закрытому торцу, оставляя за собой горячие продукты детонации - водород и мелкодисперсный углерод, которые расширяются по направлению к сепаратору. В сепараторе углеродные наночастицы отделяются от газообразного водорода и поступают в бункер. Водород подается во вторую детонационную камеру, увлекаемый струей воздуха, эжектируемого в камеру при помощи компрессора. Магистраль эжектирования окислителя открывается и закрывается при помощи газодинамического клапана. По длине камеры происходит смешение воздуха и водорода. При помощи второго инициатора детонации, расположенного у конца второй камеры, периодически формируется детонационная волна, движущаяся к входу в камеру до места эжектирования воздуха. Выше по потоку детонационная волна затухает из-за отсутствия окислителя, поддерживающего химическую реакцию. Горячие продукты детонации водорода и воздуха (водяной пар и азот), расширяясь в сопле, поступают на вход в турбину электрогенератора, приводя ее во вращение. Нагреваемые в процессе работы стенки детонационных камер, генератор ацетилена, сепаратор, бункер и выхлоп турбины снабжены теплообменниками, в которых нагревается теплоноситель для дальнейшей утилизации полученного тепла.

В случае анаэробного варианта энергетической установки отсутствует вторая детонационная камера сжигания водорода и турбина. Энергоустановка работает в режиме генерации тепловой энергии, мелкодисперсного углерода и водорода с использованием последнего в качестве горючего для электрохимических генераторов (топливных элементов) при детонационном разложении ацетилена в первой детонационной камере.

Изобретение поясняется схемой, где представлен общий вид заявленного устройства. Импульсная детонационная энергетическая установка содержит выполненные в виде отдельных модулей: теплообменники - 1; баллон или генератор ацетилена - 2; магистраль подачи ацетилена - 3, водяной затвор - 4; детонационную камеру для бескислородного разложения ацетилена - 5; инициатор детонации ацетилена - 6; сепаратор углеродных наночастиц - 7; компрессор - 8; магистраль подачи воздуха - 9; детонационную камеру сгорания водорода - 10; инициатор детонации водорода с воздухом - 11; сопловой блок - 12; турбину - 13; сопло турбины - 14; переходник от сепаратора к бункеру для углеродных наночастиц - 15; бункер для сбора углеродных наночастиц - 16.