ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2266157
ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА
Имя изобретателя: Глухих И.Н. (RU)
Имя патентообладателя: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU)
Адрес для переписки: 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина, 4а, ОАО "РКК "Энергия" им. С.П. Королева", лаборатория промышленной собственности и инноватики
Дата начала действия патента: 2004.02.24
Изобретение относится к
энергетическому оборудованию и может
использоваться для получения водорода как
в стационарных установках, так и на
транспорте. Генератор представляет собой
химический реактор, вырабатывающий водород
путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для
этого используется твердый реагент, т.е.
реакция гидролиза носит гетерогенный
характер - идет на поверхности твердого
вещества. Предполагается, что полученный
таким образом водород в дальнейшем
используется в качестве топлива для
энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах
(ТЭ). Помимо этого, водород может
использоваться, конечно, и в других
областях, например при резке металла,
сварке. Генератор водорода, работающий на
экзотермической реакции гидролиза,
содержит реакционный сосуд с магистралью
выдачи водорода и теплообменник для отвода
тепла реакции. В состав генератора введены
два накопителя водорода, снабженные
датчиками давления, при этом каждый
накопитель водорода пневматически связан
через входной клапан с реакционным сосудом,
а через выходной клапан - с магистралью
выдачи водорода, причем накопители
водорода выполнены в виде герметичных
емкостей, частично заполненных водой и
гидравлически соединенных друг с другом
через теплообменник для отвода тепла
реакции и регулятор расхода воды, который
вместе с клапанами электрически соединен с
блоком управления, к которому подключены
также датчики давления, установленные в
накопителях водорода. Данное изобретение
позволяет создать автономный генератор
водорода, способный охлаждать самого себя в
автоматическим режиме. Это позволяет
повысить надежность его работы, используя
простейшие алгоритмы управления.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к
энергетическому оборудованию и может
использоваться для получения водорода как
в стационарных установках, так и на
транспорте.
Генератор представляет собой
химический реактор, вырабатывающий водород
путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для
этого используется твердый реагент, т.е.
реакция гидролиза носит гетерогенный
характер - идет на поверхности твердого
вещества. Предполагается, что полученный
таким образом водород в дальнейшем
используется в качестве топлива для
энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах
(ТЭ). Помимо этого, водород может
использоваться, конечно, и в других
областях, например при резке металла,
сварке и т.д.
Наиболее известным примером генератора
газа с твердым реагентом являются
генераторы ацетилена типов ГНВ-1,25 и ГВР-1,25 и
другие [1]. В них также применяется
гетерогенная реакция гидролиза, а в
качестве твердого реагента служит карбид
кальция. Сходным образом работает и
генератор водорода, использующий реакцию
гидролиза алюминия в водном растворе
щелочи [2] (аналог). В этом случае, однако,
осуществляется непрерывное генерирование
водорода, а вся система, включая генератор,
работает по «проточной» схеме. К
недостаткам аналога можно отнести
следующее:
- использование «проточной» схемы
усложняет конструкцию генератора и требует
дополнительных энергозатрат, что снижает
эффективность работы установки в целом;
- работа реактора обеспечивается
специальной внешней системой охлаждения,
что снижает надежность работы реактора,
повышает энергоемкость системы, в которую
он входит, и затрудняет автономную работу
генератора.
Более близким к предназначенному решению
является генератор водорода
энергоустановки (ЭУ) подводного назначения
на топливных элементах [2] (прототип).
Эффективность работы ЭУ в этом случае выше,
поскольку циркуляционная схема работы
здесь не используется. Однако и прототип
имеет существенные недостатки, к которым
можно отнести следующие:
- используется дорогой твердый реагент (LiH);
- для охлаждения генератора используется
«внешняя» система охлаждения, снижающая к.п.д.
установки и ее надежность;
- кроме того, внешняя система охлаждения
генератора водорода сужает возможности его
автономного использования и усложняет
конструкцию.
Задачей предлагаемого решения является
разработка автономного генератора
водорода, работающего без «внешней»
системы охлаждения и не требующего (на свое
охлаждение) энергозатрат.
Задача решается тем, что в генератор
водорода, работающий на экзотермической
реакции гидролиза и содержащий реакционный
сосуд с магистралью выдачи водорода и
теплообменником для отвода тепла реакции,
введены два накопителя водорода,
отличается тем, что в состав генератора
введены два накопителя водорода,
снабженные датчиками давления, при этом
каждый накопитель водорода пневматически
связан через входной клапан с реакционным
сосудом, а через свой выходной клапан - с
магистралью выдачи водорода, причем
накопители водорода выполнены в виде
герметичных емкостей, частично заполненных
водой и гидравлически соединенных друг с
другом через теплообменник для отвода
тепла реакции и регулятор расхода воды,
который вместе с клапанами электрически
соединен с блоком управления, к которому
подключены также датчики давления,
установленные в накопителях водорода.
Суть предложения заключается в том, что
генерируемый водород набирают поочередно в
один из двух накопителей водорода (емкостей),
в которых находится вода и которые
гидравлически связаны друг с другом. При
этом давлением водорода вода попеременно
вытесняется из одной емкости в другую. В
процессе перетекания эту воду пропускают
через теплообменник для отвода тепла
реакции и она охлаждает реагенты. Таким
образом, в процессе работы генератор
водорода «сам себя охлаждает» без
использования специальных систем с
насосами, электродвигателями и прочим, то
есть напрямую используется механическая
энергия выделяемого водорода, при этом
расход охлаждающей воды регулируется. Это
способствует повышению эффективности
работы энергоустановок с таким генератором,
повышает их надежность и превращает
генератор водорода в автономное
механическое устройство.
Кроме того, для такой схемы характерно
авторегулирование интенсивности
охлаждения: чем быстрее выделяется водород
и выше его давление в ресивере, тем выше
расход охлаждающей воды через генератор (как
известно, скорость истечения воды
пропорциональна давлению вытеснения).
Таким образом, повышение тепловыделения в
генераторе (пропорциональное выделению
водорода) автоматически увеличивает и
теплоотдачу из генератора и данная система
охлаждения работает без тепловых датчиков.
Предлагаемый генератор обладает, кроме
того, простой конструкцией и имеет
элементарный алгоритм управления.
 |
Схема предлагаемой конструкции
генератора приведена на чертеже, где
обозначено:
1 - реакционный сосуд;
2 - магистраль выдачи водорода;
3 - теплообменник для отвода тепла реакции;
4 - накопители водорода;
5 - входные клапаны накопителей водорода;
6 - выходные клапаны накопителей водорода;
7 - датчики давления;
8 - теплообменники-охладители;
9 - регулятор расхода воды;
10 - блок управления.
|
Реакционный сосуд (1), в котором идет
экзотермическая реакция гидролиза, через
входные клапаны (5) пневматически
сообщается с двумя накопителями водорода
(4), выполненными в виде емкостей, частично
заполненных водой. Накопители водорода (4)
снабжены датчиками давления (7) и
теплообменниками-охладителями (8) для
охлаждения воды.
Накопители водорода (4) через выходные
клапаны (6) пневматически соединены с
магистралью выдачи водорода (2). Кроме того,
эти накопители через теплообменник для
отвода тепла реакции (3) и регулятор расхода
воды (9) гидравлически соединены друг с
другом.
Управление входными и выходными
клапанами (5, 6) и регулятором расхода воды (9)
осуществляется от блока управления (10),
который электрически соединен со всеми
клапанами (5, 6) и регулятором расхода воды (9).
К блоку управления (10) подключены также
датчики давления (7), установленные в
накопителях водорода (4).
Работает такой генератор водорода
следующим образом. Перед началом гидролиза
в реакционном сосуде (1) один из входных
клапанов (5), соединяющих реакционный сосуд
(1) с соответствующим накопителем водорода
(4), открыт, а другой входной клапан этого
накопителя закрыт. По магистрали с открытым
входным клапаном (5) водород поступает в
соответствующий накопитель водорода (4).
Если скорость роста давления в этом
накопителе водорода (4) достаточно большая (т.е.
реакция идет бурно и тепловыделение в
реакционном сосуде велико), открывается
регулятор расхода воды (9) и холодная вода из
одного накопителя водорода под действием
давления начинает перетекать в другой.
Попутно она отбирает тепло из реакционного
сосуда (1), проходя через теплообменник для
отвода тепла реакции (3). Одновременно
водород, который ранее находился во втором
накопителе водорода (не заполненном водой)
по магистрали с открытым выходным клапаном
(6), соединяющей этот накопитель водорода (4)
с магистралью выдачи водорода (2), выдается
потребителю.
Длительность охлаждения реакционного
сосуда (1) определяется количеством воды,
запасенной в накопителях водорода (4), а
мощность теплоотвода - расходом
охлаждающей воды через теплообменник для
отвода тепла реакции (3). Расход воды в свою
очередь определяется давлением водорода в
накопителях водорода (4) и площадью сечения
в регуляторе расхода воды (9).
Таким образом, существует возможность как
автоматического охлаждения реагирующей
смеси, так и управляемого процесса
охлаждения.
После завершения цикла работы генератора
и вытеснения воды из одного накопителя
водорода в другой нагретая вода в нем
охлаждается теплообменником-охладителем и
процесс повторяется в обратном направлении.
Таким образом, предложенное техническое
решение позволяет создать автономный
генератор водорода, способный охлаждать
самого себя в автоматическим режиме. Это
позволяет повысить надежность его работы,
используя простейшие алгоритмы управления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В.В.Рыбаков. «Учебник газосварщика»,
МАШГИЗ., Москва, 1956 г., стр.34-36.
2. «Устройство для генерирования тепла и
электричества из алюминиевых отходов». Пат.
США №4.218.520, 1980 г.
3. «Генерирование водорода путем
гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ
подводного назначения». Пат.5372617, США, 1994 г.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Генератор водорода, работающий на
экзотермической реакции гидролиза и
содержащий реакционный сосуд с магистралью
выдачи водорода и теплообменником для
отвода тепла реакции, отличающийся тем, что
в состав генератора введены два накопителя
водорода, снабженные датчиками давления,
при этом каждый накопитель водорода
пневматически связан через входной клапан
с реакционным сосудом, а через выходной
клапан - с магистралью выдачи водорода,
причем накопители водорода выполнены в
виде герметичных емкостей, частично
заполненных водой и гидравлически
соединенных друг с другом через
теплообменник для отвода тепла реакции и
регулятор расхода воды, который вместе с
клапанами электрически соединен с блоком
управления, к которому подключены также
датчики давления, установленные в
накопителях водорода.
Версия для печати
Дата публикации 22.12.2006гг
вверх
|
