| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2247446
СПОСІБ ЕКСПЛУАТАЦІЇ енергоустановки НА ОСНОВІ хімічних джерел І ПРИСТРІЙ РЕАЛІЗАЦІЇ СПОСОБУ
Ім'я винахідника: Глухих І.М. (RU); Старостін А.Н. (RU); Челяев В.Ф. (RU)
Ім'я патентовласника: Відкрите акціонерне товариство "Ракетно-космічна корпорація" Енергія "ім. С.П. Корольова"
Адреса для листування: 141070, Московська обл., М Корольов, вул. Леніна, 4а, ВАТ РКК "Енергія" імені С.П. Королева, лабораторія промислової власності та інноватики
Дата початку дії патенту: 2003.01.08
Винахід відноситься до області джерел живлення постійного струму, а саме до систем енергоживлення постійного струму, що працює на водні та кисні. Згідно винаходу спосіб експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора (ЕХГ) включає запуск енергоустановки та її роботу на стаціонарному режимі з випаровуванням рідкого метанолу та води, отриманням водню і вуглекислоти за рахунок хімічної сполуки парів метанолу з парами води, наступним хімічною сполукою отриманого водню з киснем з освітою парів води і тепла і скидання води і вуглекислоти в навколишнє середовище. При роботі енергоустановки на стаціонарному режимі рідкий метанол випаровують теплотою хімічної реакції з'єднання водню з киснем в ЕХГ, а пари води, що утворилися в результаті цієї хімічної реакції, направляють на реакцію з парами метанолу для отримання водню. Пристрій для реалізації цього способу експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора містить резервуар зберігання метанолу і послідовно з'єднані парової ріформер, блок поділу газів з магістраллю скидання вуглекислоти і електрохімічний генератор з магістралями скидання тепла і продуктів реакції. До складу пристрою введено контур прокачування метанолу, що містить послідовно з'єднані електрохімічний генератор, підключений через магістраль скидання тепла, насос, теплообмінник-зріджувач і регулятор витрати пари метанолу; крім того, в пристрій введені газовий теплообмінник, а й контур прокачування водяної пари, що містить послідовно з'єднані електрохімічний генератор, підключений через вхід - за воднем і магістраль скидання продуктів реакції, теплообмінник-водовіддільник з магістраллю скидання продуктів реакції, теплообмінник-водовіддільник з магістраллю скидання води , вентилятор, паровий ріформер і газовий теплообмінник, при цьому вхід парового ріформера через газовий теплообмінник підключений до регулятора витрати парів метанолу, а резервуар зберігання метанолу приєднаний до контуру прокачування метанолу між теплообмінником-зріджувач і насосом. Технічним результатом винаходу є суттєве зниження енерговитрат на власні потреби, підвищення ККД, поліпшення масогабаритних характеристик установки, спрощення її конструкції.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до області джерел живлення постійного струму, а саме до систем енергоживлення постійного струму, що працює на водні та кисні.
Відомий спосіб експлуатації енергоустановки (ЕУ) на основі електрохімічного генератора (ЕХГ), що включає хімічну сполуку водню з киснем з утворенням води і тепла, що скидається в навколишнє середовище [1]. Відповідна ЕУ, що реалізує цей спосіб, містить ЕХГ, блоки зберігання водню і кисню, з'єднані з ЕХГ, контур циркуляції водню [1]. Відведення води здійснюється циркуляцією теплоносія - електроліту. Дане технічне рішення вибрано в якості аналога пропонованого.
Недоліком цього способу експлуатації ЕУ з ЕХГ і пристрої для його здійснення є підвищена вогнестійкість, обумовлена постійною присутністю в установці водню. Крім того, зберігання значних кількостей водню в відносно невеликих енергоустановках пов'язано зі значними технічними труднощами (необхідні балони високого або надвисокого тиску, криогенні ємності та ін.) І найчастіше обмежена за часом.
Ближчим за своєю суттю є спосіб експлуатації ЕУ з киснево-водневим ЕХГ, прийнятий за прототип [2] і використовує хімічно пов'язане зберігання водню - у вигляді метанолу. Даний спосіб включає в себе випаровування рідких метанолу і води, отримання водню за рахунок хімічної реакції отриманих парів (паровий риформінг метанолу), а й подальше хімічна сполука водню і кисню з отриманням електрики, води і тепла.
Пристрій для експлуатації ЕУ з ЕХГ, що реалізує цей спосіб, [2] містить ЕХГ з магістраллю скидання тепла, магістралями подачі кисню і водню і магістраллю скидання води, блок зберігання метанолу, насос і паливний конвертор (ріформер), подстикованний до штуцера подачі водню ЕХГ.
На відміну від аналога [1] в даному технічному рішенні водень не зберігати в установці і використовується в паливному елементі (ПЕ) відразу після генерування, що істотно підвищує пожежовибухобезпеку (ПВБ) установки. Крім цього, зберігання метанолу, на відміну від зберігання водню, не представляє труднощів і практично не обмежена за часом.
Недоліком прототипу (як способу, так і пристрої) є невисокий ККД, пов'язаний з неефективним перенесенням тепла від ЕХГ до інших агрегатів і спалюванням водню. Як і в аналогу [1], в прототипі [2] передача тепла від ЕХГ проводиться за допомогою системи терморегулювання (СТР) з рідким теплоносієм. У більшості випадків таким носієм є спеціальна рідина з широким робочим діапазоном температур (наприклад, тосол). Крім того, існує друга СТР для роботи ріформера за рахунок тепла допалювання водню. При цьому у всіх випадках теплопередача здійснюється через стінки теплообмінників. Ефективність такої системи перенесення тепла невисока (особливо при невеликій різниці температур агрегатів), а енерговитрати на циркуляцію теплоносія значні. Крім того, частина отриманого водню спалюють в допалювачів.
Все це збільшує енерговитрати на власні потреби ЕУ і зменшує її ККД.
Завданням запропонованого технічного рішення є створення способу експлуатації ЕУ з ЕХГ і пристрої для його реалізації, які при підвищеній ПВБ характеризувалися б такі властивості:
- Підвищення ефективності (ККД) перетворення хімічної енергії в електричну;
- Спрощення способу теплообміну між агрегатами ЕУ і спрощена СТР;
- Підвищення надійності функціонування;
- Скорочення числа робочих компонентів ЕУ.
Завдання вирішується тим, що при способі експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора, що включає випаровування рідкого метанолу, отримання водню за рахунок хімічної сполуки парів метанолу з парами води, потім хімічна сполука отриманого водню з киснем з утворенням парів води і тепла, рідкий метанол випаровують в ЕХГ теплотою електрохімічної реакції з'єднання водню з киснем, а пари води, що утворилися в результаті цієї реакції, направляють на реакцію з парами метанолу для отримання водню.
Пристрій реалізації цього способу експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора містить резервуар зберігання метанолу, насос для його подачі і послідовно з'єднані парової ріформер, блок поділу газів з магістраллю скидання вуглекислоти і електрохімічний генератор з магістраллю скидання тепла і магістраллю скидання продуктів реакції, причому в нього введені газовий теплообменік, встановлений між паровим ріформером і блоком поділу газів, теплообмінник-зріджувач і регулятор витрати пари метанолу, з'єднаний зі входом парового ріформера через газовий теплообмінник, при цьому сформований контур прокачування метанолу, що містить послідовно з'єднані насос, електрохімічний генератор, підключений через магістраль скидання тепла, регулятор витрати пари метанолу і теплообмінник-зріджувач; крім того, в пристрій введений теплообмінник-влагоотделитель з магістраллю скидання води, підключений до магістралі скидання продуктів реакції з електрохімічного генератора, при цьому на вході теплообмінника-вологовідділювача встановлений вентилятор, з'єднана з входом парового ріформера.
Суть запропонованого способу полягає в тому, що на стаціонарному режимі роботи в якості теплоносія, що охолоджує ЕХГ, використовується робочий реагент ЕУ - метанол. Саме він підходить для цього, оскільки при робочому тиску ЕХГ (~ 3 ати) метанол кипить при температурі трохи меншою, ніж робоча температура генератора (на відміну від води). Це дозволяє використовувати для охолодження ЕХГ кипіння рідини (метанолу). При цьому питома теплота випаровування метанолу, хоча і вдвічі менше теплоти випаровування води, досить велика в порівнянні з іншими органічними рідинами.
Отримані в ЕХГ пари метанолу частково направляють на реакцію парового риформінгу, попутно нагріваючи їх додатково гарячим синтез-газом, які виходять з ріформера. Таким чином, пари метанолу набувають температуру, необхідну для хімічної реакції. Решта пари метанолу ожіжающего і знову направляють в магістраль відведення тепла ЕХГ. Таким чином здійснюється циркуляція метанолу в замкнутому контурі з відведенням парів в ріформер на реакцію.
Пари води, що утворюються в ЕХГ в результаті реакції водню і кисню, і, не конденсируя, повністю направляють на реакцію парового риформінгу. Надлишок води конденсують і скидають в навколишнє середовище. Таким чином, циркуляція водяної пари і відбувається по замкнутому контуру зі скиданням надлишків води в навколишнє середовище.
Пропонований спосіб при даній схемі ЕП здійснюється наступним чином. Після запуску енергоустановки рідкий метанол направляють в ЕХГ (4), де він випаровується, і його пари направляють на реакцію парового риформінгу. По дорозі пари додатково підігрівають гарячими продуктами цієї реакції - сумішшю водню і вуглекислого газу (в газовому теплообміннику).
Дану газову суміш (синтез-газ) поділяють за компонентами, і вуглекислий газ викидають в навколишнє середовище. Водень ж направляють на електрохімічний реакцію з киснем, а утворюються при цьому пари води і направляють на паровій риформинг метанолу, шляхом частково виділяючи з неї воду. Таким чином, при роботі установки функціонують два циркуляційних контуру - з метанолом і з водою, при цьому і метанол і вода циркулюють в контурах з вимірюванням свого агрегатного стану (випаровуючись і конденсуючись).
Для реалізації даного способу розроблена установка, блок-схема якої приведена на кресленні, де позначено:
 |
1 - паровий ріформер; Вхід ЕХГ (4) за воднем підключають до виходу за воднем блоку поділу газів (3), магістраль скидання продуктів реакції (6) через теплообмінник-влагоотделитель (12) і вентилятор (13) з'єднують з входом парового ріформера (1). Вхід парового ріформера через газовий теплообмінник (2) підключають і до виходу регулятора витрати парів метанолу (10). Другий вихід цього регулятора (10) з'єднують через теплообмінник-зріджувач (9) з насосом (8). Вхід цього насоса підключають і до резервуару зберігання метанолу (11). |
Вихід насоса (8) з'єднують із входом магістралі скидання тепла (5), а вихід цієї магістралі з'єднують зі входом регулятора витрати парів метанолу (10), в результаті чого утворюється замкнутий контур прокачування метанолу через ЕХГ.
Пристрій реалізує спосіб наступним чином. На стаціонарному режимі роботи насос (8) прокачує рідкий метанол по магістралі скидання тепла (5) ЕХГ (4) по контуру, в який крім насоса (8) і магістралі скидання тепла (5) входять регулятор витрати пари метанолу (10) і теплообменнік- зріджувач (9). Циркулюючи в цьому контурі, метанол випаровується в ЕХГ (4), частина пара надходить потім в паровій ріформер (1), а залишився пар конденсується в теплообміннику-зріджувач (9) і знову перекачується насосом (8) на охолодження ЕХГ (4). Підкачка рідини в контур проводиться з резервуара зберігання метанолу (11).
Що залишився пар метанолу з ЕХГ (4) через регулятор витрати пари метанолу (10) надходить в паровий ріформер (1), попередньо підігрітий в газовому теплообміннику (2) сумішшю газів, що виходять з парового ріформера (1), при цьому температура парів метанолу практично досягає необхідного для реакції рівня. Отримана в паровому ріформере (1) суміш газів через газовий теплообмінник (2) надходить в блок поділу газів (3), де з газової суміші виділяється водень, а вуглекислий газ викидається в навколишнє середовище по магістралі скидання вуглекислоти (7). Виділений в блоці поділу газів (3) водень прямує в ЕХГ (4) для реакції з киснем. Одержуваний при цьому водяна пара направляють в паровій ріформер (1) після відділення частини води в теплообміннику-вологовідділювачами (12). Побудником витрати в контурі водяної пари є вентилятор (13).
У пропонованому способі експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора і пристрої, його реалізує, позитивний ефект на стаціонарному режимі роботи досягається за рахунок наступних основних факторів:
1. За рахунок більш ефективного способу відводу тепла від ЕХГ - використовується не тільки теплоємність теплоносія, а й його випаровування;
2. За рахунок більш ефективного способу віддачі тепла реагенту - тепло передається разом з самим теплоносієм, який одночасно є і реагентом;
3. За рахунок оптимального використання продуктів реакції в ЕХГ - парів води, які без проміжної конденсації направляються в ріформер.
Це дозволяє в стаціонарному режимі істотно знизити енерговитрати на власні потреби ЕУ, тобто підвищити її ККД, поліпшити масогабаритні характеристики установки, спростити її конструкцію за рахунок зменшення числа робочих компонентів (так як в якості теплоносія СТР використовується енергоносій) і зробити установку більш надійною. При цьому ПВБ установки не погіршується.
Таким чином, поставлена задача вирішується створенням такого способу експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора і пристрої, його реалізує, в яких:
- Теплообмін між ЕХГ і ріформером ЕУ здійснювався б не тільки за рахунок теплопередачі в теплоносій, а й за рахунок випаровування останнього (відомо, що випаровування для знімання тепла набагато ефективніше теплопередачі);
- Зниження числа робочих компонентів ЕУ можливою завдяки тому, що в якості теплоносія для охолодження ЕХГ використовується один з витрачених реагентів ЕУ, а саме - метанол, температура кипіння якого (при робочому тиску в ЕХГ) дещо менше робочої температури ЕХГ (Т ЕХГ ~ 90 ° С ; Р ЕХГ ~ 3 ати), в зв'язку з чим при проходженні через ЕХГ метанол буде випаровуватися.
Крім того, пари води, які утворюються в ЕХГ при хімічної реакції між киснем і воднем, і використовуються в реакції парового риформінгу метанолу. Це і збільшує ККД ЕУ і її надійність. Спрощується і її обслуговування, оскільки спрощується схема.
Запропоновані заходи дозволяють істотно знизити енерговитрати на власні потреби ЕУ, тобто підвищити її ККД, поліпшити масогабаритні характеристики установки, спростити її конструкцію за рахунок зменшення числа робочих компонентів, так як в якості теплоносія СТР використовується енергоносій, і зробити установку більш надійною. При цьому ПВБ установки не погіршується.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Н.В.Коровін. "Електрохімічні генератори", "Енергія", М. 1974 г., стр.106-109.
2. Патент США №6063515, 2000 г.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора, що включає запуск енергоустановки та її роботу на стаціонарному режимі з випаровуванням рідкого метанолу та води, отриманням водню і вуглекислоти за рахунок хімічної сполуки парів метанолу з парами води, наступним хімічною сполукою отриманого водню з киснем з утворенням парів води і тепла, і скидання води і вуглекислоти в навколишнє середовище, що відрізняється тим, що при роботі енергоустановки на стаціонарному режимі рідкий метанол випаровують в електрохімічному генераторі теплотою електрохімічної реакції з'єднання водню з киснем, а пари води, що утворилися в результаті цієї реакції, направляють на реакцію з парами метанолу для отримання водню.
2. Пристрій реалізації способу експлуатації енергоустановки на основі електрохімічного генератора, що містить резервуар зберігання метанолу, насос для його подачі і послідовно з'єднані парової ріформер, блок поділу газів з магістраллю скидання вуглекислоти і електрохімічний генератор з магістраллю скидання тепла і магістраллю скидання продуктів реакції, що відрізняється тим, що в нього введений газовий теплообмінник, встановлений між паровим ріформером і блоком поділу газів, теплообмінник-зріджувач і регулятор витрати пари метанолу, з'єднаний зі входом парового ріформера через газовий теплообмінник, при цьому сформований контур прокачування метанолу, що містить послідовно з'єднані насос, електрохімічний генератор, підключений через магістраль скидання тепла, регулятор витрати пари метанолу і теплообмінник-зріджувач; крім того, в пристрій введений теплообмінник-влагоотделитель з магістраллю скидання води, підключений до магістралі скидання продуктів реакції з електрохімічного генератора, при цьому на виході теплообмінника-вологовідділювача встановлений вентилятор, з'єднана з входом парового ріформера.
Версія для друку
Дата публікації 13.01.2007гг
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.