Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК - Патент РФ 2049923
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Сущность изобретения: рабочее вещество загружают в емкость в виде микрообъемов из неразрушающегося водородосодержащего материала с размерами 10 300 мкм. При непрерывном шлюзовании порции рабочего вещества самосыпом подают в зону генерации. Нагрев рабочего вещества ведут от 500°С до температуры критического состояния отводом тепла от камер энергетической установки. Согласование ритма подачи рабочего вещества и нагрузки энергетической установки проводят автоматически. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2049923
Класс(ы) патента: F02B43/00
Номер заявки: 5057575/06
Дата подачи заявки: 04.09.1992
Дата публикации: 10.12.1995
Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Автор(ы): Садовой А.А.; Сухаревский П.Д.
Патентообладатель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики
Описание изобретения: Изобретение относится к атомно-водородной энергетике, в частности к способам генерирования водорода или энергетических установок (ЭУ).
Известен способ [1] генерирования водорода, который можно использовать при эксплуатации ЭУ, включающий размещение в загрузочном баке рабочего вещества (РВ) из высокотемпературных гидридов (типа MgNiH4или MgH2, содержащих 4 и 7% водорода по весу соответственно), подогрев РВ во втором баке до температуры десорбции 550-600оС, подачу выделившегося водорода в приемную камеру ЭУ.
К недостаткам этого способа относится трудность обеспечения требуемых для разложения РВ температуры и теплоты диссоциации ( 33 кал/моль Н2) без привлечения дополнительного источника тепловой энергии, трудоемкость при перезарядке и связанные с этим существенные ограничения на многократное воспроизведение способа. Так согласно [1] только вес загрузочного бака достигает 120 кг. В известном способе не предусмотрены мероприятия, снижающие инерционность процесса генерации водорода.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ [2] включающий размещение РВ в виде порошка металлогидридов в загрузочную емкость, подачу РВ в реактор (зону генераций), подогрев РВ в реакторе до температуры десорбции. Выделившийся в реакторе газ подается под давлением в камеру сгорания ЭУ, а использованный гидрид из реактора перемещается во вторую емкость. Нагрев РВ производят теплом выхлопных газов ЭУ, подведенных в реактор из тепловых камер (сгорания) ЭУ посредством системы трубопроводов, соединяющих разнесенные в пространстве реактор и камеры ЭУ.
Недостатки этого способа заключаются в инерционности процесса генерирования водорода из РВ и неэффективном использовании тепловой энергии за счет подачи сравнительно больших порций РВ в реактор и значительной удаленности реактора от источников вторичного тепла, используемых для нагрева РВ. Инерционность проявляется в генерировании водорода при прекращении работы ЭУ, что в свою очередь приводит к утечке водорода в атмосферу, что понижает безопасность работы ЭУ, вызывает экологическое загрязнение окружающей среды и перерасход использованного количества РВ. Низкая эффективность использования тепловой энергии ЭУ снижает производительность способа. Кроме того, в прототипе представляется довольно сложным регулирование ритма генерации водорода и его согласование с динамическими характеристиками ЭУ.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в обеспечении газообразным топливом водородом ЭУ с одновременной экономией РВ и энергии, улучшении экологической обстановки и безопасности устройств, реализующих предлагаемый способ.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает новый технический результат, заключающийся в снижении инерционности генерирования водорода и обеспечении возможности согласования ритма генерирования водорода с нагрузкой ЭУ, экономии РВ, повышении производительности способа и безопасности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем предварительное размещение РВ в загрузочном баке, перемещение водородосодержащего РВ в зону генерации и его подогрев, подачу генерированного водорода в энергетическую установку, удаление отработанного вещества из зоны генерации в выпускной бак, в качестве РВ используют механически прочные в режиме эксплуатации микрообъемы одной из фракций в диапазоне размеров 10-300 мкм, предварительно насыщенные водородом при давлении до 0,2 ГПа, подают и пропускают через зону генерации непрерывно путем последовательного шлюзования операционных порций РВ, подогрев которого осуществляют в системе каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер энергетической установки, от 500оС до температуры, при которой фактическая динамическая нагрузка на микрообъемы соответствует пределу их механической прочности, при этом согласуют ритм подачи РВ через зону генерации с динамической нагрузкой энергетической установки автоматически.
Исследование уровня техники в данной и смежной областях науки и техники показало следующее.
1. Использование порошка (микрообъемов) водородосодержащего вещества в качестве РВ известно. Однако в предлагаемом способе РВ в виде калиброванных микрообъемов с незначительным разбросом размеров используемой фракции приводит к проявлению другого технического эффекта, заключающегося в экономии исходных веществ и материалов, в более точном регулировании производительности способе в режиме практически непрерывной подачи этих микрообъемов в зону генерации, снижении инерционности способа.
2. Использование приема непрерывной подачи РВ в зону генерации, где происходит одновременно его нагрев от "бросового" тепла ЭУ, как это предложено в предлагаемом способе, в отличие от дискретной подачи больших порций РВ в известном способе из [2] приводящей к значительной инерционности способа и возможной утечке газообразного водорода после остановки ЭУ, приводит к снижению инерционности и повышению производительности предлагаемого способа, а также облегчает регулирование ритма генерирования водорода, что в известных технических решениях не обнаружено.
3. Использование микрообъемов, насыщенных газообразными продуктами водорода под давлением до 0,2 ГПА в диапазоне размеров 20-500 мкм, к которым предъявлялись жесткие требования по сферичности и разнотолщинности, известно в лазерном термоядерном синтезе в качестве мишеней, сохраняющих изотопы водорода в течение определенного времени.
В предлагаемом способе насыщенные подобным образом микрообъемы использованы в качестве источников быстрой генерации десорбируемого из них газообразного водорода и в заявляемом диапазоне размеров РВ обеспечивается непрерывный режим подачи этих частиц РВ.
4. Температура нагрева выбрана в предлагаемом способе на основании оценок фактических данных по параметрам используемых ЭУ, а также экспериментальных данных, о влиянии температуры на повышение степени использования РВ и выхода целевого продукта. В анализируемых известных технических решениях таких сведений не выявлено.
5. Использование приема согласования ритма подачи вещества и ритма работы ЭУ известно, однако использование известной системы клапанов не обеспечивает сравнимое с заявляемым снижение инерционности процесса генерации и подачи газообразного топлива в ЭУ.
Таким образом, анализ уровня техники показывает, что новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением, явным образом не вытекает из предшествующего уровня техники, а также заявляемая совокупность признаков не обнаружена при поиске аналогов изобретения.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Предварительно частицы РВ, изготовленные в виде микрообъемов водородосодержащего вещества, насыпают в загрузочный бак. Набор микрообъемов определенной фракции производят в диапазоне 10-300 мкм, при этом разброс размеров в пределах каждой фракции должен быть минимальным. Это условие необходимо соблюдать для снижения инерционности процесса регулирования выхода водорода с одновременным повышением его выхода (производительности способа).
По произведенным расчетным оценкам оптимальная толщина S стенок микрообъемов связана с толщиной (b генерирующего слоя микрообъемов и характерным размером микрообъема (d/2) соотношением
S b где L длина пробега водорода между столкновениями со скелетом микрообъемов, k геометрический фактор (k≈20-30). При этом обеспечивается практически одновременная десорбция водорода из всех микрообъемов, находящихся в зоне генерации, за минимальное время при условии d/S const.
Тем самым в предлагаемом способе подбор заявляемого диапазона размеров микрообъемов обеспечивает максимальный выход водорода за время нахождения порции РВ зоне генерации, а следовательно, и повышает производительность способа.
Теоретически и экспериментально доказано, что при использовании в спрессованных объектах с заданной пористостью частиц определенной фракции обеспечивается одновременное и единообразное функционирование всех пор при пропускании через них водорода. Необходимость ограничений на разброс размеров микрообъемов вытекает из оценок времени диффузии водорода из микрообъемов в поровое пространство и последующей фильтрации газа в пористом веществе с открытыми порами по формуле
t t1 + t2 (S2/L + 2b2/kd/Vт, где Vт тепловая скорость атомов водорода.
Откуда следует, что указанное выше время нахождения порции РВ в зоне генерации, за которое должно выделиться требуемое в определенный момент эксплуатации количество водорода, будет обеспечиваться при использовании микрообъемов РВ в заявляемом оптимальном диапазоне размеров. На этом основано согласование ритма генерации и подачи водорода в ЭУ с ритмом изменения динамических параметров ЭУ.
Бак загрузки, заполняемый указанным выше образом, можно заменять на новый или заправлять автоматическим способом на станциях заправки, что обеспечивает возможность, как и в прототипе, многократного воспроизводства способа.
После полной загрузки бака РВ подают в систему каналов зоны генерации, где осуществляют нагрев РВ. В отличие от прототипа зона генерации в предлагаемом способе включает систему каналов, расположенных в непосредственной близости от источников "бросового" тепла ЭУ, от зоны взаимодействия топлива с окислителем, например, камер сгорания. В отличие от прототипа, в котором эти зоны значительно удалены друг от друга в пространстве, в предлагаемом способе повышается коэффициент использования энергии ЭУ и, как следствие, повышается производительность способа и экономия РВ. В зоне генерации обеспечивается температура, достаточная для десорбции водорода из микробов РВ. При этом в предлагаемом способе отпадает необходимость дополнительного источника тепловой энергии в отличие от прототипа. Это установлено в ходе оценки количества тепла, снимаемого со стенок теплообменных каналов, расположенных в непосредственной близости с камерами сгорания, и непосредственном контакте микрообъемов со стенками теплообменных каналов. Оценки показывают, что снимаемое количество тепловой энергии соответствует теплоте диссоциации (> 33 кал/моль Н2) и обеспечивается тепловым режимом камер сгорания большинства используемых на практике ЭУ.
Прохождение микрообъемов РВ через зону генерации осуществляется в режиме практически непрерывной подачи со скоростью, пропорциональной скорости энергосъема с ЭУ. Непрерывность подачи РВ реализуется на принципе шлюзования путем последовательного проведения порции РВ по схеме: через первичную камеру шлюза (накопитель) нагрев (зона генерации) сбор порции отработанного РВ во вторичной камере шлюза (приемник) с последующим выпуском этой порции в выпускной бак. Время нахождения порции РВ на каждой из указанных позиций определяется ритмом энергосъема ЭУ за счет оборудования шлюзовых камер, что позволяет осуществить более тонкую и точную регулировку подачи РВ и водорода. Контроль за генерацией газа осуществляется путем измерения давления водорода в газосборнике и сравнением этого значения с оптимальным значением для данного режима работы. Согласование ритма подачи РВ осуществляется автоматически с помощью регистрирующих и передающих приборов.
При этом значительная экономия РВ в процессе его нагревания в зоне генерации обеспечивается выполнением требований к режиму предварительного насыщения РВ на этапе его изготовления при избыточном давлении (0,0005-0,2 ГПа), поскольку при этом удельное содержание водорода по массе может достигать ≈ 30% что достаточно для повышения его отбора в ЭУ.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом более высокий выход газообразного топлива, уменьшает удельный расход РВ, повышает производительность способа и снижает инерционность генерирования газа, а также позволяет вести процесс генерации водорода в согласовании с нагрузкой ЭУ.
На чертеже изображена схема предлагаемого способа.
Он состоит в засыпке РВ загрузочного бака 1, подаче РВ в систему шлюзовых камер и каналов зоны генерации 2, находящихся в непосредственном тепловом и газовом контакте с камерами преобразования энергии ЭУ 4, сборе отработавших микрообъемов в выпускном баке 3.
Промышленная применимость предлагаемого способа подтверждена на следующих примерах.
П р и м е р 1. В качестве ЭУ был задействован двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Способ осуществляется по схеме, изображенной на чертеже. В загрузочный бак помещается порция РВ 16 кг. Используется РВ из микрообъемов со средним размером 200 мкм толщиной стенки 8 мкм с разбросом размеров 10% от среднего значения. По известной технологии микробаллоны выполняют двухслойными из 4 мкм стекла и 4 мкм гидрида титана ТiН2 снаружи. В режиме эксплуатации микрообъемы сохраняются, σпр во внешнем слое составляет 0,1 ГПа. Технологически приемлем способ, когда такие микрообъемы насыщаются водородом при давлении 0,05-0,1 ГПа и температуре процесса 500оС, что обеспечивает массовое содержание водорода 7-15%
Время хранения водорода в микрообъемах оценивается на уровне 107 с при естественных условиях (20оС, Р≈1 атм). Суммарное содержание водорода в загрузочном баке 1-2,2 кг. Согласно техническим разработкам этого запаса водорода при 5%-ной добавке его к бензину достаточно для пробега 500-1000 км при стандартном бензиновом баке. Этот факт свидетельствует о достаточно высокой емкости РВ по отношению к водороду и высокой степени использования водорода в предлагаемом способе по сравнению с прототипом, экономии материалов.
Использование предлагаемого способа позволяет применять при необходимости малогабаритные гидридные загрузочные баки, сменяемые на заправочных станциях, в отличие от прототипа, где они довольно громоздки, что свидетельствует об улучшении экономических параметров способа и увеличении безопасности при эксплуатации ЭУ.
РВ подают и пропускают через систему каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер ЭУ, непрерывно путем последовательного шлюзования операционных порций. Нагрев РВ производят в диапазоне 550-600оС путем варьирования расположения тепловых каналов. Нагрев более 1500оС ведет к деформации и разрушению микробаллонов, засорению шлюзовой системы и прекращению генерирования водорода. Ритм подачи РВ автоматически согласуется с нагрузкой ЭУ известными методами по числу оборотов двигателя в единицу времени.
П р и м е р 2. То же, что и в примере 1, при этом температура нагрева 1300оС. В качестве РВ использовались микрообъемы гидрида титана с размерами в диапазоне 30-40 мкм. Предел прочности гидрида титана составляет σпр 0,1 ГПа, что обеспечивает механическую прочность микрообъемов в рассматриваемом рабочем режиме.
Приведенные примеры показывают, что осуществление способа с использованием всех предлагаемых мероприятий и условий их проведения гарантирует рабочие параметры ЭУ, обеспечивающие экономию материалов: РВ, водорода, а также согласование ритма генерации водорода с динамической нагрузкой ЭУ, снижение инерционности процесса генерирования по сравнению с прототипом.
Формула изобретения: СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, включающий зарядку загрузочной емкости рабочим водородсодержащим веществом, перемещение рабочего вещества в зону генерации и его подогрев, подачу генерированного водорода в энергетическую установку, удаление отработанного вещества из зоны генерации в выпускной бак, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют механически прочные в режиме эксплуатации микрообъемы одной из фракций в диапазоне размеров 10-300 мкм, предварительно насыщенные водородом при давлении до 0,2 ГПа, которые подают и пропускают через зону генерации непрерывно путем последовательного щлюзования операционных порций рабочего вещества, подогрев которого осуществляют в системе каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер энергетической установки, от 500oС до температуры, при которой фактическая динамическая нагрузка на микрообъемы соответствует пределу их механической прочности, причем согласуют ритм подачи рабочего вещества через зону генерации с динамической нагрузкой энергетической установки автоматически.