| 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 RU2290724
Воднево-КИСНЕВИЙ хімічних джерел
Ім'я винахідника: Воронцов Володимир Вікторович (RU); Голов Валерій Сергійович (RU); Нікітін В'ячеслав Олексійович (RU); Перфильев Лев Олексійович (RU); Ритов Олександр Вікторович (RU); Старостін Олександр Миколайович (RU); Худяков Сергій Андрійович (RU); Чернов Сергій Веніамінович
Ім'я патентовласника: Відкрите акціонерне товариство "Ракетно-космічна корпорація" Енергія "імені С.П. Корольова"
Адреса для листування: 141070, Московська обл., М Корольов, вул. Леніна, 4а, ВАТ "РКК" Енергія "ім. С.П. Корольова", відділ інтелектуальної власності
Дата початку дії патенту: 2005.03.09
Винахід відноситься до галузі енергетики і може використовуватися в стаціонарних і мобільних енергоустановках, що працюють на воднево-кисневих (повітряних) електрохімічних генераторах. Технічним результатом винаходу є підвищення ККД електрохімічного генератора за рахунок зниження енерговитрат на отримання електроенергії за рахунок використання теплової енергії газоподібного водню, що надходить з водневого сепаратора, а й використання на потреби електрохімічного генератора потоку високого тиску газової суміші, що надходить з ріформера. Зниження енерговитрат досягається в результаті того, що на виході з ріформера встановлений регулятор тиску, що дозволяє створювати оптимальний тиск в ріформере, а потік суміші високого тиску на виході з регулятора тиску використовується для роботи турбіни турбоагрегату, який подає повітря з атмосфери в батарею ТЕ. З виходу турбоагрегату газовий потік подається в дожигатель, а теплова енергія використовується для нагріву газової суміші в ріформере, а й для випаровування надходить у випарник палива і підігріву надходить в батарею ТЕ повітря.
ОПИС ВИНАХОДИ
Пропонований винахід відноситься до галузі енергетики і може використовуватися в стаціонарних і мобільних енергоустановках, що працюють на воднево-кисневих (повітряних) електрохімічних генераторах.
Аналогом пропонованого пристрою є електрохімічний генератор (ЕХГ) з конверсією вуглеводнів (стор.166 в книзі Н.В.Коровіна "Електрохімічні генератори", "Енергія", 1974).
Паливо і обезсолена вода подаються через обігрівач в реактор, звідки продукти конверсії надходять в сепаратор з палладиевой-срібною мембраною. Очищений водень після охолодження надходить в батарею паливних елементів (ПЕ).
При пуску система нагрівається за рахунок спалювання палива, при роботі температура підтримується за рахунок тепла ЕХГ і допалювання непрореагировавших компонентів вуглеводнів і СО, що надходять після сепаратора. Продукт реакції - вода не повертається в генератор водню, а скидається.
ЕХГ може бути забезпечений спеціальним контуром охолодження, який використовується і для підігріву системи при запуску ЕХГ. Загальна потужність ЕХГ, що витрачається на власні потреби, включаючи систему подачі повітря, підтримання процесу конверсії при отриманні газоподібного водню, систему терморегулювання, приблизно 500 Вт або 12,5%. Загальний ККД установки змінюється від 15% при потужності 500 Вт до 35% при повній потужності 4,0 кВт.
Недоліком розглянутого ЕХГ є великі енергетичні витрати на власні потреби, що витрачаються на систему подачі повітря, підтримання процесу конверсії при отриманні газоподібного водню, систему терморегулювання щодо забезпечення заданих теплових параметрів в системах ЕХГ, що знижує ККД ЕХГ приблизно на 12,5%.
Прототипом запропонованого пристрою є ЕХГ за патентом США №6063515 від 05.10.2000 р Цей пристрій має систему підведення метанолу та води у випарник для випаровування потоку рідини, каталітичний ріформер для отримання в ньому потоку, що містить газоподібний водень і СО 2, водневий сепаратор з палладиевой мембраною, в якому здійснюється поділ потоку на газоподібний водень, що надходить потім у ПЕ ЕХГ, і домішки, які надходять в каталітичну пальник для розігріву теплоносія, використовуваного для нагріву потоку в випарнику і ріформере. Контроль роботи каталітичної пальника здійснюється з використанням датчика температури і регулюванням тиску потоку на виході з каталітичної пальника відповідно до вихідним сигналом датчика температури.
Недоліком розглянутого ЕХГ є те, що в ньому передпусковий нагрів палива в випарнику і ріформере гідравлічного тракту ЕХГ здійснюється за рахунок підводиться електроенергії, що знижує ККД в порівнянні з використанням за прямим призначенням енергії від згорання палива ЕХГ.
Завданням винаходу є збільшення ККД за рахунок зниження енерговитрат на отримання електроенергії при роботі електрохімічного генератора внаслідок використання теплової енергії газоподібного водню, що надходить з водневого сепаратора, використання на потреби ЕХГ потоку високого тиску газової суміші, що надходить з ріформера.
Це завдання вирішується тим, що електрохімічний генератор містить батарею паливних елементів, випарник, ріформер, водневий сепаратор з палладиевой мембраною, дожигатель, датчик температури в допалювачів, дросель на виході з дожигатель, турбоагрегат з турбіною, камеру згоряння, теплообмінники газової суміші, газоподібного водню, підігріву повітря, тепловий акумулятор, повітряний компресор, газовий балон для водню з заправним клапаном, ємність з водометаноловой сумішшю з заправним клапаном, реле тиску, при цьому вихід ємності з водометаноловой сумішшю з заправним клапаном через отсечной клапан і насос високого тиску повідомлений з входом випарника і через зворотний клапан підключений до виходу камери згоряння, причому датчик температури пускового режиму електрично пов'язаний з відсічним клапаном і пусковим блоком насоса високого тиску; вихід випарника повідомлений з входом ріформера, вихід якого пов'язаний через регулятор тиску з турбіною турбоагрегату, вихід якої повідомлений з першим входом дожигатель, а другий його вхід пов'язаний через отсечной клапан з виходом турбоагрегату, повідомленого на вході з атмосферою, а вихід з дожигатель через дросель повідомлений з входом теплообмінника газової суміші, вихід якого повідомлений з атмосферою; одночасно вихід турбоагрегату повідомлений з входом теплообмінника підігріву повітря, вихід якого пов'язаний з першим входом батареї паливних елементів; вихід водневого сепаратора з'єднаний зі входом теплообмінника газоподібного водню, вихід якого підключений до другого входу батареї паливних елементів і через зворотний клапан - до газового балону для водню; водневий сепаратор контактує через паладієву мембрану з ріформером, який в свою чергу контактує з дожігателем через загальну стінку; випарник, теплообмінник газової суміші, теплообмінник газоподібного водню, а й теплообмінник підігріву повітря об'єднані в загальний корпус з теплоємний наповнювачем, утворюючи акумулятор тепла; перший вхід камери згоряння повідомлений через отсечной клапан з виходом газового балона для водню, а другий її вхід через зворотний клапан повідомлений з повітряним компресором, вхід якого повідомлений з атмосферою; камера згоряння забезпечена реле тиску, яке електрично пов'язано відповідно з блоком вимикання компресора і відсічним клапаном магістралі газового балона для водню - камери згоряння.
На кресленні представлена схема ЕХГ, де:
1 - ємність з водометаноловой сумішшю |
17 - отсечной клапан |
Електрохімічний генератор має пусковий пристрій для попереднього розігріву гідравлічного тракту ЕХГ. Пусковий пристрій складається з повітряного компресора 21 з блоком вимикання компресора 29, камери згоряння 18 і газового балона для водню 16. При цьому перший вхід камери згоряння підключений через отсечной клапан 17 до газового балона 16, а другий вхід - через зворотний клапан 20 до повітряного компресора 21. При цьому вхід газового балона для водню 16 через зворотний клапан 15 підключений до магістралі, що сполучає вихід теплообмінника газоподібного водню 24 з другим входом в батарею ТЕ 14, а вихід з камери згоряння 18 через зворотний клапан 22 приєднаний в магістраль між виходом з насоса високого тиску 3 і входом у випарник 4. Попередня заправка газового балона для водню 16 воднем здійснюється через заправний клапан 31, подстикованний в магістраль між входом в газовий балон для водню 16 і зворотним клапаном 15.
ЕХГ містить ємність з водометаноловой сумішшю 1, з'єднану на виході через отсечной клапан 2 і насос високого тиску 3 з входом у випарник 4. На вході в ємність з водометаноловой сумішшю 1 встановлений заправний клапан 30. Вихід з випарника 4 через гідравлічну магістраль з'єднаний зі входом в ріформер 9, які контактують з водневим сепаратором 8 через паладієву мембрану водневого сепаратора 8. з дожігателем 11 ріформер 9 контактує через загальну стінку. Вихід ріформера 9 через регулятор тиску 7 підключений до входу турбіни турбоагрегату 6. На виході турбіна турбоагрегату 6 через гідравлічну магістраль підключена до першого входу в дожигатель 11, а на виході дожигатель з'єднаний через дросель 23 з входом в теплообмінник газової суміші 19. З виходу теплообмінника газової суміші 19 газова суміш надходить в атмосферу.
Вихід водневого сепаратора 8, в який надходить через паладієву мембрану з ріформера 9 газоподібний водень, під'єднується до входу теплообмінника газоподібного водню 24, а вихід з теплообмінника газоподібного водню 24 через гідравлічну магістраль під'єднується до другого входу в батареї ТЕ 14, а і через зворотний клапан 15 - до газового балону для водню 16.
Вхід турбоагрегату 5 з'єднаний з атмосферою, а вихід через першу гідравлічну магістраль, отсечной клапан 12 з'єднується з другим входом в дожигатель 11; через другу гідравлічну магістраль вихід турбоагрегату з'єднується зі входом в теплообмінник підігріву повітря 25, вихід якого через гідравлічну магістраль приєднаний до першого входу батареї ТЕ 14.
Випарник 4, теплообмінник газової суміші 19, теплообмінник газоподібного водню 24, теплообмінник підігріву повітря 25 встановлені в тепловому акумуляторі 26. Встановлений в допалювачів датчик температури пускового режиму 10 електрично пов'язаний з відсічним клапаном 2 і через пусковий блок насоса високого тиску 28 - з насосом високого тиску 3. Встановлене в камері згоряння 18 реле тиску 27 електрично пов'язано з відсічним клапаном 17, а через блок виключення компресора 29 - з повітряним компресором 21.
Пропонуємо Пристрій працює наступним чином
Перед початком роботи ємність з водометаноловой сумішшю 1 через заправний клапан 30 заповнюється водометаноловой сумішшю, а газовий балон для водню 16 - через заправний клапан 31 воднем.
Запуск ЕХГ (пусковий режим) проводиться з подачі в камеру згоряння 18 через отсечной клапан 17 з газового балона для водню 16 водню, при цьому від повітряного компресора 21 через зворотний клапан 20 подається повітря.
В результаті згорання в камері згоряння 18 газоподібного водню і кисню повітря високотемпературний потік продуктів згоряння газової суміші надходить через зворотний клапан 22 у випарник 4, ріформер 9, дожигатель 11, теплообмінник газової суміші 19, з виходу якого скидається в атмосферу.
Після досягнення в допалювачів 11 температури, що забезпечує основний запуск ЕХГ, з датчика температури пускового режиму 10, встановленого в допалювачів 11, надходить команда на відкриття відсічного клапана 2 і на пусковий блок насоса високого тиску 28 для включення насоса високого тиску 3. Тиском, створюваним в гідравлічному тракті ЕХГ насосом високого тиску 3, зворотний клапан 22 закривається. При цьому тиск в камері згоряння 18 підвищується.
При досягненні в камері згоряння 18 тиску спрацьовування на встановлене в ній реле тиску 27 надходить команда на закриття відсічного клапана 17 і через пусковий блок компресора 29 - на вимикання повітряного компресора 21. При відсутності доступу в камеру згоряння 18 газоподібного водню і кисню повітря процес горіння автоматично закінчується.
Надходить через насос високого тиску 3 водометаноловая суміш в випарнику 4 під впливом високої температури (~450 ° С) випаровується і надходить в ріформер 9. У ріформере 9 під впливом високої температури і каталізаторів відбуваються хімічні реакції конверсії з утворенням газової суміші, що складається з Н 2 , N, CO, CO 2 і парів води. З ріформера 9 газоподібний водень дифундирует через паладієву мембрану в водневий сепаратор 8, з виходу якого подається на вхід теплообмінника газоподібного водню 24. При цьому частина теплової енергії проходить через теплообмінник нагрітого до ~450 ° С газоподібного водню передається через тепловий акумулятор 26 в випарник 4 для випаровування надходить водометаноловой суміші і в теплообмінник підігріву повітря 25 для підігріву до ~70 ° С надходить від турбоагрегату 5 на перший вхід батареї ПЕ 14 повітря. З виходу теплообмінника газоподібного водню 24 водень надходить на другий вхід батареї ПЕ 14, а через зворотний клапан 15 надходить в газовий балон для водню 16 для його дозаправки.
Частина, що залишилася в ріформере 9 газова суміш, включаючи Н 2, N, CO, CO 2 і пари води, надходить на вхід регулятора тиску 7, що забезпечує оптимальний тиск в ріформере 9 для продуктивної роботи палладиевой мембрани водневого сепаратора 8.
З виходу регулятора тиску 7 потік газової суміші надходить на вхід турбіни турбоагрегату 6, при роботі якої турбоагрегат 5 нагнітає з атмосфери повітря, частина якого подається через отсечной клапан 12 на другий вхід дожигатель 11, а частина - на вхід теплообмінника підігріву повітря 25, з виходу якого нагрітий до заданої температури повітря надходить до першого входу батареї ТЕ 14.
З виходу турбіни турбоагрегату 6 потік газової суміші подається до першого входу в дожигатель 11, в якому в результаті каталітичного горіння надходить газової суміші з киснем повітря виділяється теплова енергія для нагріву газової суміші в ріформере 9 через загальну стінку приблизно до температури 450 ° С, достатньої для проведення хімічної реакції конверсії газової суміші в ріформере 9. в результаті каталітичного горіння в допалювачів 11 газовій суміші з киснем повітря відбувається дожигание СО.
З виходу дожигатель 11 потік газової суміші через дросель 23 надходить на вхід в теплообмінник газової суміші 19, що дозволяє виробляти викид в атмосферу через теплообмінник газової суміші 19 екологічно безпечні газові відходи.
Підводиться з потоком газової суміші теплова енергія використовується для нагріву через тепловий акумулятор 26 випарника 4 з випаровуванням в ньому надходить водометаноловой суміші, а й для нагріву надходить через теплообмінник підігріву повітря 25 в батарею ТЕ 14 повітря.
Таким чином, запропоноване технічне рішення дозволяє підвищити ефективність роботи ЕХГ за рахунок зниження енерговитрат. Це досягається тим, що:
1. На виході з ріформера встановлений регулятор тиску, що дозволяє створювати оптимальний тиск в ріформере для продуктивної роботи палладиевой мембрани водневого сепаратора.
2. Потік суміші високого тиску на виході з регулятора тиску використовується для роботи турбіни турбоагрегату, який подає повітря з атмосфери в батарею ТЕ, а й через відкритий отсечной клапан в дожигатель для організації горіння разом з надходить газовою сумішшю з ріформера.
3. Тепловий потік газоподібного водню з температурою нагріву Т~450 ° C, що надходить з водневого сепаратора, і високотемпературна газова суміш, яка надходить з дожигатель, подаються відповідно в теплообмінник газоподібного водню і в теплообмінник газової суміші, встановлений спільно з випарником і теплообмінником підігріву повітря в тепловому акумуляторі, в результаті чого забезпечується випаровування надходить у випарник палива і підігрів що надходить в батарею ТЕ повітря.
Передпусковий нагрів гідравлічного тракту ЕХГ до температури в допалювачів, що забезпечує виведення ЕХГ на стаціонарний режим роботи за допомогою пускового пристрою, що складається з камери згоряння, в якій організовується згоряння надходить газоподібного водню з газового балона для водню і повітря, що нагнітається через зворотний клапан повітряним компресором з високотемпературної газової суміші продуктів згоряння з атмосфери. Нагрівання гідравлічного тракту ЕХГ здійснюється подачею високотемпературної газової суміші з камери згоряння до досягнення в допалювачів температури, що забезпечує стаціонарний запуск ЕХГ.
Передпусковий нагрів гідравлічного тракту за рахунок подачі продуктів згоряння газоподібного водню і повітря вимагає менших витрат в порівнянні з електричним розігрівом, що вимагає додаткові енерговитрати на отримання електроенергії і акумуляторні пристрої. Енергетично виправдано і використання в якості окислювача кисню з повітря як для батареї ТЕ, так і для дожигатель і камери згоряння пускового пристрою.
Запропонований електрохімічний генератор може бути використаний як на транспортних засобах, так і для генерування додаткового електрики для різних галузевих потреб.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Електрохімічний генератор, що містить батарею паливних елементів, випарник, ріформер, водневий сепаратор з палладиевой мембраною, дожигатель, датчик температури в допалювачів, дросель на виході з дожигатель, що відрізняється тим, що в нього включені турбоагрегат з турбіною, камера згоряння, теплообмінники газової суміші, газоподібного водню, підігріву повітря, тепловий акумулятор, повітряний компресор, газовий балон для водню з заправним клапаном, ємність з водометаноловой сумішшю з заправним клапаном, реле тиску; при цьому вихід ємності з водометаноловой сумішшю з заправним клапаном через отсечной клапан і насос високого тиску повідомлений з входом випарника і через зворотний клапан підключений до виходу камери згоряння, причому датчик температури пускового режиму електрично пов'язаний з відсічним клапаном і пусковим блоком насоса високого тиску, вихід випарника повідомлений з входом ріформера, вихід якого пов'язаний через регулятор тиску з турбіною турбоагрегату, вихід з якої повідомлений з першим входом дожигатель, а другий його вхід пов'язаний через отсечной клапан з виходом турбоагрегату, повідомленого на вході з атмосферою, а вихід з дожигатель через дросель повідомлений з входом теплообмінника газової суміші, вихід якого повідомлений з атмосферою, одночасно вихід турбоагрегату повідомлений з входом теплообмінника підігріву повітря, вихід якого пов'язаний з першим входом батареї паливних елементів, вихід водневого сепаратора з'єднаний зі входом теплообмінника газоподібного водню, вихід якого підключений до другого входу батареї паливних елементів і через зворотний клапан - до газового балону для водню, водневий сепаратор контактує через паладієву мембрану з ріформером, який, в свою чергу, контактує з дожігателем через загальну стінку, випарник, теплообмінник газової суміші, теплообмінник газоподібного водню і і теплообмінник підігріву повітря об'єднані в загальний корпус з теплоємний наповнювачем, утворюючи акумулятор тепла, перший вхід камери згоряння повідомлений через отсечной клапан з виходом газового балона для водню, а другий її вхід через зворотний клапан повідомлений з повітряним компресором, вхід якого повідомлений з атмосферою, камера згоряння забезпечена реле тиску, яке електрично пов'язане відповідно з блоком вимикання компресора і відсічним клапаном магістралі газового балона для водню - камери згоряння.
Версія для друку
Дата публікації 06.02.2007гг
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.