СИСТЕМА ПОДАЧИ КРИОГЕННОГО ТОПЛИВА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ УСТАНОВКУ

Изобретение относится к машиностроению, а именно к криогенным топливным системам энергетических установок.

Известна система подачи сжиженного газа в двигатель внутреннего сгорания, содержащая топливный баллон с наполнительной горловиной, связанный через фильтр с насосом; вентиль, установленный в трубопроводе за испарителем-теплообменником; прибор, регистрирующий давление, включенный в линию соединения испарителя-теплообменника с форсункой, установленной в смесителе всасывающего тракта (а.с. СССР №1333811, МПК 4 F02M 21/02, опубл. 30.08.87, БИ №32).

Недостаток данной системы состоит в том, что давление в топливном баллоне зависит от состояния окружающей среды. При повышении давления выше допустимого значения при остановленном двигателе пары топлива выбрасываются в атмосферу, что снижает экономичность двигательной установки и безопасность ее эксплуатации. Другим недостатком являются ограниченные функциональные возможности системы, связанные с тепловой инерцией испарителя-теплообменника, что не позволяет оперативно изменять подачу испаренного топлива в двигатель.

Известна система хранения и подачи топлива в виде сжиженного природного газа, содержащая резервуар для хранения топлива, наполнительный и выпускной клапан, трубопровод для жидкости из резервуара в испаритель, паропровод для газообразного топлива из резервуара в испаритель, топливопровод для испаренного топлива из испарителя в двигатель, регулятор прохождения испаренного топлива в двигатель, топливный баллон с адсорбентом и регенерационным нагревателем, приспособленный для приема избытка топлива из резервуара, хранения его и перемещения обратно в резервуар (патент РФ №2208747, МПК 7 F25B 19/00, F25J 1/00, F17C 9/02, F17C 11/00, B65D 90/22, С22С 38/08, опубл. 2003.07.20).

Данная система недостаточно экономична, так как пары топлива, образующиеся при подводе тепла из окружающей среды, поглощаются адсорбентом, поглотительная способность которого ограничена. Поэтому после насыщения адсорбента во время остановки двигателя, когда потребление газообразного топлива отсутствует, топливный баллон с адсорбентом необходимо заменять.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система подачи криогенного топлива в камеру сгорания энергетической установки, содержащая топливный бак с подкачивающим насосом, насос высокого давления, первый теплообменник-газификатор, отсечной клапан, вентиль, датчик давления, компрессор, второй теплообменник, обратный клапан и блок управления (а.с. СССР №1795139, МПК 5 F02K 9/44, опубл. 15.02.93, БИ №6).

Данная система обладает ограниченными функциональными возможностями, так как из-за наличия тепловой инерции теплообменника-газификатора сложно обеспечить динамику изменения количества газифицированного топлива, поступающего в камеру сгорания энергетической установки, при изменении режима работы. В системе не компенсируется теплоприток из окружающей среды к криогенному топливу, что уменьшает время безопасной эксплуатации энергоустановки и снижает ее экономичность.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении экономичности.

Технический результат достигается тем, что, система подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащая топливный бак, подкачивающий насос, теплообменник-газификатор, отсечной клапан, компрессор, снабжена адиабатным парогенерирующим устройством и сепаратором, при этом вход теплообменника-газификатора через вентиль соединен с топливным баком, вход адиабатного парогенерирующего устройства соединен с выходом теплообменника-газификатора и через вентиль - с топливным баком, выход адиабатного парогенерирующего устройства соединен со входом сепаратора, первый выход сепаратора через подкачивающий насос и вентиль соединен с топливным баком, а второй выход сепаратора через компрессор и отсечной клапан соединен с энергетической установкой.

На фиг.1 показана схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку.

На фиг.2 представлены процессы в системе подачи топлива в энергетическую установку при газификации топлива исключительно в адиабатном парогенерирующем устройстве.

На фиг.3 представлены процессы в системе подачи топлива в энергетическую установку при газификации топлива в теплообменнике-газификаторе и в адиабатном парогенерирующем устройстве.

Система содержит топливный бак 1, теплообменник-газификатор 2, адиабатное парогенерирующее устройство 3, сепаратор 4, компрессор 5, отсечной клапан 6, энергетическую установку 7, подкачивающий насос 8, вентили 9, 10, 11.

В зависимости от режима работы энергетической установки 7 газификация жидкого криогенного топлива может происходить либо только в адиабатном парогенерирующем устройстве 3, либо вначале в теплообменнике-газификаторе 2, а затем в адиабатном парогенерирующем устройстве 3.

При запуске энергетической установки 7, а также на режиме холостого хода, когда потребность в газообразном топливе небольшая, газификация криогенного топлива происходит исключительно в адиабатном парогенерирующем устройстве 3.

Система в этих случаях работает следующим образом. Открывают отсечной клапан 6. Жидкое криогенное топливо из топливного бака 1 через вентиль 10 поступает в адиабатное парогенерирующее устройство 3. Вентиль 9 при этом закрыт. В адиабатном парогенерирующем устройстве 3 происходит снижение давления жидкого криогенного топлива без подвода тепла извне. При этом часть жидкого топлива испаряется, а температура оставшейся части понижается. Образовавшаяся двухфазная смесь жидкого и газообразного топлива поступает в сепаратор 4. В сепараторе 4 происходит разделение смеси на жидкую и газовую фазы при постоянном давлении. Жидкое охлажденное топливо с помощью подкачивающего насоса 8 через вентиль 11 возвращается в топливный бак 1, а газообразное топливо поступает в компрессор 5. Компрессор 5 сжимает газообразное топливо до давления, необходимого для функционирования энергетической установки 7.

Схема процессов представлена в координатах s-T (энтропия-температура) на фиг.2. А - исходное состояние жидкого криогенного топлива в топливном баке; А-В - процесс снижения давления жидкого криогенного топлива без теплообмена с окружающей средой в адиабатном парогенерирующем устройстве; С - состояние газифицированного топлива на выходе из сепаратора; D - состояние газифицированного топлива на выходе из компрессора; Е - состояние охлажденного жидкого криогенного топлива на выходе из сепаратора; F - состояние жидкого криогенного топлива на выходе из подкачивающего насоса; К - критическая точка; x - степень сухости, p - давление.

При нормальном режиме работы энергетической установки газификация криогенного топлива происходит вначале в теплообменнике-газификаторе 2, а затем в адиабатном парогенерирующем устройстве 3.

В этом случае система работает следующим образом. Открывают отсечной клапан 6. Жидкое криогенное топливо из топливного бака 1 через вентиль 9 поступает в теплообменник-газификатор 2. Вентиль 10 при этом закрыт. В теплообменнике-газификаторе 2 происходит подвод тепла к жидкому криогенному топливу при постоянном давлении и испарение части жидкого топлива. Источником тепла для теплообменника-газификатора 2 могут являться, например, выхлопные газы энергетической установки 7. Полученная двухфазная смесь из теплообменника-газификатора 2 поступает в адиабатное парогенерирующее устройство 3. В адиабатном парогенерирующем устройстве 3 происходит снижение давления смеси без подвода тепла извне, дополнительное испарение и снижение температуры. Затем двухфазная смесь жидкого и газообразного топлива поступает в сепаратор 4. В сепараторе 4 происходит разделение смеси на жидкую и газовую фазы при постоянном давлении. Жидкое охлажденное топливо с помощью подкачивающего насоса 8 через вентиль 11 возвращается в топливный бак 1, а газообразное топливо поступает в компрессор 5. Компрессор 5 сжимает газообразное топливо до давления, необходимого для функционирования энергетической установки 7.

На схематичном изображении процессов (фиг.3) A-G - процесс газификации жидкого криогенного топлива в теплообменнике-газификаторе при подводе тепла; G-В - процесс снижения давления жидкого криогенного топлива без теплообмена с окружающей средой в адиабатном парогенерирующем устройстве.

При остановленной энергетической установке, например, при простое транспортного средства, снабженного такой энергетической установкой, подвод тепла из окружающей среды приводит к росту давления в топливном баке 1 из-за испарения жидкого криогенного топлива.

В этом случае система подачи криогенного топлива функционирует в режиме захолаживания топлива в топливном баке 1. Открывают отсечной клапан 6. Жидкое криогенное топливо из топливного бака 1 через вентиль 10 поступает в адиабатное парогенерирующее устройство 3, в котором переходит в двухфазное состояние и при этом охлаждается. Вентиль 9 при этом закрыт. После разделения двухфазной смеси в сепараторе 4 охлажденная жидкость с помощью подкачивающего насоса 8 через вентиль 11 возвращается в топливный бак 1, в результате чего увеличивается хладоресурс хранимого топлива и снижается давление в топливном баке 1. Газообразное топливо с помощью компрессора 5 через отсечной клапан 6 поступает в энергетическую установку 7 и сжигается. Выделяющаяся при этом энергия используется для привода компрессора 5, подкачивающего насоса 8 и на прочие собственные нужды энергетической установки. После достижения необходимого давления в топливном баке, процесс захолаживания прекращают.

В качестве адиабатного парогенерирующего устройства могут быть использованы, например, дроссель либо сопло Лаваля. Снижение давления жидкого криогенного топлива в адиабатном парогенерирующем устройстве сопровождается фазовыми переходами и изменениями структуры потока. Однородная жидкость переходит в пузырьковую среду, а затем в парокапельную. Истечение парожидкостных смесей высокой влажности характеризуется увеличением паросодержания (т.е. частичным испарением) (Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981, стр.368). Процесс парообразования происходит с высокой интенсивностью во всей массе жидкости непосредственно в процессе течения. Расход парожидкостной смеси легко поддается регулировке, так как зависит, главным образом, от величины проходного сечения и параметров жидкости на входе в устройство.

При газификации жидкого криогенного топлива исключительно в теплообменнике-газификаторе выход на расчетный режим возможен только после прогрева конструкции. По мере испарения жидкости и увеличения содержания пара в парожидкостной смеси уменьшается коэффициент теплоотдачи со стороны газифицируемой жидкости, т.е. уменьшается интенсивность тепломассообменных процессов на поверхности теплообмена.

Наличие в системе подачи адиабатного парогенерирующего устройства позволяет получать газифицированное топливо непосредственно в потоке сразу же после запуска энергетической установки и легко изменять его расход. Адиабатное парогенерирующее устройство дает возможность не доводить процесс газификации топлива в теплообменнике-газификаторе до полного испарения жидкости, что улучшает условия работы теплообменника-газификатора. Таким образом, предлагаемая система обладает более широкими функциональными возможностями по сравнению с прототипом.

Другим преимуществом предлагаемой системы является то, что в ней осуществляется не только снабжение энергетической установки газифицированным криогенным топливом, но и компенсация теплопритока из окружающей среды. Это дает возможность в течение длительного времени осуществлять бездренажное хранение, снижает потери топлива и повышает экономичность энергетической установки.