ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2232710
ГЕНЕРАТОР ВОДНЮ
Ім'я винахідника: Челяев В.Ф. (RU); Глухих І.М. (RU); Щербаков А.М. (RU)
Ім'я патентовласника: Відкрите акціонерне товариство "Ракетно-космічна корпорація" Енергія "ім. С.П. Корольова" (RU)
Адреса для листування: 141070, Московська обл., М Корольов, вул. Леніна, 4а, ВАТ РКК "Енергія" ім. С.П. Королева ", відділ промислової власності та інноватики, А.Г.Сакояну
Дата початку дії патенту: 2003.04.14
Винахід відноситься до енергетичного устаткування і може бути використано для отримання водню як в стаціонарних установка, так і на транспорті. Генератор водню, що працює за рахунок гідролізу твердого реагенту - алюмінію, має реакційний посудину, магістраль подачі водного розчину їдкого натру, магістраль видачі водню. Генератор водню має і контейнер з твердим реагентом - алюмінієм, теплообмінник для відводу тепла реакції, виконаний з металу, стійкого до дії водного розчину їдкого натру, розміщений всередині реакційного судини, заповненого водним розчином їдкого натру і має прямий теплової контакт з твердим реагентом - алюмінієм. При цьому метал, з якого виконаний теплообмінник, має більш високу теплопровідність, ніж твердий реагент - алюміній. Винахід дозволяє інтенсифікувати процес генерації водню.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до енергетичного устаткування і може використовуватися для отримання водню як в стаціонарних установках, так і на транспорті.
Генератор являє собою хімічний реактор, що виробляє водень шляхом гідролізу, тобто розкладання води. Для цього використовується твердий реагент, тобто реакція гідролізу носить гетерогенний характер - йде на поверхні твердого речовини. Передбачається, що отриманий таким чином водень надалі використовується як паливо для енергоустановок (ЕУ) на паливних елементах (ТЕ). Крім цього водень може використовуватися, звичайно, і в інших областях, наприклад при різанні металу, зварювання і т.д.
Раніше в останньому випадку використовувався головним чином ацетилен, який синтезували в генераторах, що мають схожу конструкцію [1]. При цьому і застосовувалася гетерогенна реакція гідролізу, а в якості твердого реагенту служив карбід кальцію. Дане технічне рішення прийнято за аналог. До його недоліків слід віднести наступні:
- Синтезується ацетилен не придатний для кіслородоводородних ТЕ і потребує подальшого розкладанні до отримання водню; це істотно ускладнює конструкцію ЕУ і знижує її ККД; мале ваговий вміст водню в таких генераторах робить їх непридатними для транспорту;
- При роботі ацетиленових генераторів утворюється нерозчинний осад (вапно), накопичення якого обмежує часом не безперервної роботи генератора, погіршує його габаритно-вагові характеристики; видалення осаду з реактора вимагає додаткових енерговитрат, ускладнює конструкцію ЕУ, знижує її ККД;
- Твердий реагент (карбід кальцію) є матеріалом, тривале зберігання якого досить складно і небезпечно, оскільки він дуже гігроскопічний і при поглинанні вологи з повітря виділяє ацетилен.
Ближчим за своєю суттю є генератор водню, призначений для живлення ЕУ на основі ПЕ, використовуваної на підводному апараті [2]. Даний реактор і використовує реакцію гідролізу, а в якості твердого реагенту використовуються металогідриди (тобто сполуки металів з воднем). Генератор включає реакційний посудину, в який поміщається "камера" з гидридом металу, теплообмінник для відводу тепла реакції, пристрій для перемішування води в реакційному посудині (розміщене всередині останнього) і магістралі для подачі в реактор води і відведення з реактора водню. При цьому для поліпшення габаритно-вагових характеристик ЕУ застосовуються гідриди легких металів, які є досить дорогими (LiH, BeH 2 ...). Це істотно підвищує вартість одержуваного водню і є істотним недоліком генератора [2], прийнятого в даному випадку за прототип.
Крім цього, до недоліків прототипу слід віднести наступні:
- Використовуваний для гідролізу твердий реагент являє істотну небезпеку з пожежної точки зору, оскільки металогідриди схильні до саморазложению з виділенням водню і гігроскопічна, що і призводить до їх розкладанню з виділенням водню;
- Металогідриди дороги, а відновлення одержуваних при гідролізі гідратів металів технічно складно і енергоємне;
- Недоліком конструкції генератора є і його інерційність, що утрудняє його використання в транспортних ЕУ.
Останнє обумовлено тим, що для функціонування генератора на стаціонарному режимі необхідно підтримувати певну температуру твердого та рідкого реагентів. Якщо їх багато, підтримання температурного режиму генератора ускладнюється технічно і вимагає істотних енерговитрат (наприклад, на роботу пристроями,). Крім того, перехідні режими роботи такого генератора водню займають в цьому випадку досить багато часу, оскільки вимагають зміни температури великих мас речовин, що мають порівняно невисоку теплопровідність (вода, металогідриди). Для транспортних завдань це є величезним недоліком.
Завданням запропонованого рішення є розробка генератора водню з підвищеною швидкодією. Крім того, генератор повинен працювати на дешевому і поширеному сировину, зберігання якого безпечно, а використання в гідролізі не дає нерозчинного осаду. Поставлена задача вирішується тим, що в генератор водню, який працює за рахунок гідролізу твердого реагенту - алюмінію, який має реакційний посудину, магістраль подачі водного розчину їдкого натру, магістраль видачі водню, введений контейнер з твердим реагентом - алюмінієм, теплообмінник для відводу тепла реакції, виконаний з металу, стійкого до дії водного розчину їдкого натру, розміщений всередині реакційного судини, заповненого водним розчином їдкого натру і має прямий теплової контакт з твердим реагентом - алюмінієм, при цьому метал, з якого виконаний теплообмінник, має більш високу теплопровідність, ніж твердий реагент - алюміній . Таким чином, в якості реагентів для реакції гідролізу використовуються алюміній і водний розчин лугу (NaOH); в результаті реакції утворюється рідкий лужний розчин алюмінату натрію. Швидкодія генератора водню підвищується за рахунок інтенсифікації теплових процесів в генераторі і їх локалізації.
Суть пропозиції полягає в наступному.
Теплові процеси в пропонованому генераторі прискорюються завдяки тому, що сам твердий реагент, який бере участь в гідролізі, є металом з високою теплопровідністю (алюміній) і, крім того, знаходиться в прямому тепловому контакті як з пусковим нагрівачем, так і з теплообмінником для відведення тепла реакції. Крім того, метал, з якого виготовлений цей теплообмінник, і добре проводить тепло. Якщо його теплопровідність вище, ніж у металу-реагенту (Аl), швидкодія генератора лімітується лише теплопровідністю самого реагенту. Як матеріал для такого теплообмінника можна використовувати, наприклад мідь, що має більшу, ніж в алюмінію, теплопровідність і стійку до дії лугу.
В даному теплообміннику доцільно і поєднати дві функції - відведення тепла реакції на стаціонарному режимі роботи генератора і приплив тепла при пуску генератора. Таким чином, теплообмінник для відводу тепла реакції в процесі запуску генератора може служити пусковим нагрівачем. При цьому температура теплоносія, що циркулює в теплообміннику, вище температури рідини в генераторі. Завдяки високій теплопровідності металу-реагенту, металу, з якого виготовлений теплообмінник, і їх прямому тепловому контакту, нагрів твердого реагенту йде при цьому і з підвищеною швидкістю.
Швидкодія пропонованого реактора підвищується і за рахунок того, що регулювання температури здійснюється не у всій реакційної суміші (як в прототипі), а лише поблизу твердого реагенту. Оскільки гідроліз в даному випадку є гетерогенним і реакція йде на поверхні алюмінію, немає необхідності підтримувати на потрібному рівні температуру всієї реагує суміші. Досить регулювати температуру самого алюмінію і тонкого шару рідини поблизу його поверхні. Тим самим проводиться локалізація керованих теплових процесів, тобто зменшується зона, в якій теплопередача контролюється. Відповідно, зменшується маса речовини, що міститься в цій зоні.
Подібна локалізація зони теплового регулювання дозволяє істотно підвищити швидкість теплових процесів, що впливають на виділення водню, а отже, і швидкодія генератора водню. Останнє, таким чином, підвищується одночасно за рахунок декількох факторів:
- Використання для гідролізу твердого реагенту з високою теплопровідністю (Аl);
- Прямого теплового контакту металу-реагенту з пусковим нагрівачем і теплообмінником для відведення тепла реакції;
- Високій теплопровідності металу, їх якого виготовлений теплообмінник для відводу тепла реакції;
- Локалізації теплових процесів, відповідальних за генерацію водню.
 |
Схема пропонованого генератора ілюструється фіг.1, де позначено:
1 - реакційний посудину;
2 - контейнер з твердим реагентом;
3 - твердий реагент - алюміній (зображений у вигляді гранул, але може використовуватися у вигляді листа і т.д.);
4 - магістраль подачі рідкого реагенту - водного розчину їдкого натру (NaOH);
5 - теплообмінник для відводу тепла реакції і нагрівання алюмінію при запуску генератора;
6 - магістраль видачі водню.
|
Працює генератор наступним чином. Алюміній (у вигляді гранул, листа і т.д.) поміщають в контейнер з твердим реагентом (2) так, що твердий реагент (3), наприклад алюміній, має прямий теплової контакт з теплообмінником (5) для відводу тепла реакції і нагрівання алюмінію при запуску генератора. Останній розміщений всередині реакційного судини (1). За магістралі подачі рідкого реагенту (4) в реакційний посудину (1) подається водний розчин лугу, наприклад NaOH, так що контейнер (2) з твердим реагентом (алюмінієм) виявляється зануреним в цей розчин. Починається екзотермічна реакція гідролізу і виділення водню, який відводиться по магістралі видачі водню (6). Саморозігрів реагентів при цьому відбувається досить повільно, і для прискорення гідролізу в теплообмінник (5) подають гарячий теплоносій, який розігріває алюміній і розчин, що знаходиться поблизу нього. Виділення водню інтенсифікується, і після досягнення необхідного значення витрати теплообмінник (5) перемикають на відведення виділяється в реакції тепла.
Ефективність запропонованих заходів була перевірена експериментально. Для цього в лабораторних умовах був виготовлений скляний маломасштабний діючий макет пропонованого генератора, перевірена працездатність запропонованого пристрою і його швидкодія.
 |
Фото генератора дано на фіг.2, де позначені і основні елементи його конструкції. Розчин лугу в генератор не залита.
Теплообмінник для відводу тепла реакції був виконаний у вигляді спіралі з мідної трубки, по якій подавалася холодна водопровідна вода. Залежно від продуктивності генератора температура в ньому змінювалася в діапазоні 40-120ºС. При цьому продуктивність генератора за воднем визначалася витратою води в охолоджувальному теплообміннику. Прямий теплової контакт між теплообмінником і металом-реагентом здійснювався за рахунок того, що гранули алюмінію насипалися безпосередньо на мідну спіраль теплообмінника для відводу тепла реакції (фіг.2). Пусковий нагрівач у випробуваннях не застосовувався, і генератор запускався саморазогрева, що займало ~ 20 хв.
Як показали експерименти, помітне (в кілька разів) зниження продуктивності генератора досягалося вже через 3-10 с після зміни витрати води в спіральному теплообміннику. Очевидно, що за такий час скільки-небудь помітно змінити температуру рідини в колбі (~ 0,5 л водного розчину NaOH) практично неможливо, а швидкий "відгук" генератора на невеликі зміни витрати охолоджуючої води обумовлений високою швидкістю теплопередачі через мідь і алюміній і локалізацією керованих теплових і хімічних процесів поблизу поверхні гранул (А1).
|
Таким чином, дане технічне рішення дозволяє створити генератор водню, який використовує для гідролізу дешеві, розповсюджені речовини, що не утворюють в результаті реакції твердого осаду. При цьому конструкція генератора є досить швидкодіючої, що важливо для використання його на транспорті.
Працездатність запропонованої конструкції підтверджена експериментально.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
1. Рибаков В.В. Підручник газозварника. М .: Машгиз., 1956 року, с. 32.
2. Генерування водню шляхом гідролізу для енергоустановки на основі ПЕ підводного призначення. Патент США №5372617, 1994 г.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Генератор водню, що працює за рахунок гідролізу твердого реагенту - алюмінію, який має реакційний посудину, магістраль подачі водного розчину їдкого натру, магістраль видачі водню, що відрізняється тим, що він містить контейнер з твердим реагентом - алюмінієм, теплообмінник для відводу тепла реакції, виконаний з металу, стійкого до дії водного розчину їдкого натру, розміщений всередині реакційного судини, заповненого водним розчином їдкого натру і має прямий теплової контакт з твердим реагентом - алюмінієм, при цьому метал, з якого виконаний теплообмінник, має більш високу теплопровідність, ніж твердий реагент - алюміній.
Версія для друку
Дата публікації 04.01.2007гг
Сподобалося? Підпишись на RSS новини! Ви також можете підтримати shram.kiev.ua, тисніть:
Не зайвим буде і твоїм друзям дізнатися цю інформацію, поділися з ними статтею!
|
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.