ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к оборудованию для генерации энергии в области альтернативной, а именно, водородной энергетики, и может быть использована для получения электрической и/или механической энергии.
Известна комбинированная энергоустановка, которая включает смеситель порошка алюминия с водой, насос высокого давления, реактор, водородовоздушный топливный элемент.
В процессе работы энергоустановки пароводородная смесь, полученная в реакторе, направляется на турбину, где происходит ее преобразование в механическую энергию. Далее пароводородная смесь с давлением близким к атмосферному поступает в конденсатор, где водяной пар конденсируется до воды, а влажный водород направляется в блок осушки, после которой направляется в водородовоздушный топливный элемент, где происходит преобразование энергии водорода в электрическую.
(см. А.Л. Дмитриев и др. «Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающие на продуктах гидротермального окисления алюминия». ISJAEE Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», №11, 2008 г. Научно-технический центр «ТАТА», 2008 г.)
Для известной энергоустановки характерен небольшой ресурс работы водородовоздушного твердополимерного топливного элемента.
Известна алюмоводородная энергетическая установка с Сегнеровым колесом, содержащая реактор-генератор высокотемпературной пароводородной смеси, связанный входом с расходной емкостью для приготовления водной суспензии алюминия, а выходом - со смесителем, предназначенным для смешивания полученной пароводородной смеси с водой, а выход смесителя связан с Сегнеровым колесом, питающим электрогенератор, а газовый выход Сегнерова колеса связан с конденсатором пароводородной смеси и разделения ее на воду, водород и оксиды алюминия.
2
2
В процессе работы энергетической установки в реактор насосом высокого давления подается суспензия, состоящая из воды и порошкового алюминия. В реакторе гидролизом порошков алюминия производится пароводородная смесь по реакции: 2Al+4HO→2AlO(OH)+3H+Q. Потенциальная энергия паро-водородо-водяной смеси с помощью Сегнерова колеса преобразуется в механическую, электрогенератором - в электрическую энергию. Отработанная смесь подается в конденсатор, выделяет водород, направляемый в накопитель, а остаточное тепло подается в систему отопления.
(см. патент РФ №103574, кл. F02C 3/00, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
Для известной энергетической установки характерна недостаточная ее эффективность, так как в процессе работы установки не в полной мере используется химическая энергия генерируемого водорода, а это приводит к низкой эффективности процесса производства электроэнергии. Еще одним недостатком известной энергетической установки является отсутствие возможности увеличения выходной мощности при сохранении своих массогабаритных характеристик, так как увеличение мощности требует увеличения частоты вращения вала Сегнерова колеса до таких величин, которые в несколько раз превышают принятые на сегодняшний момент в газотурбостроении.
Технический результат полезной модели заключается в повышении коэффициента полезного действия, а также расширении возможности масштабирования по выходной мощности энергетической установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в гибридной энергетической установке, содержащей реактор получения пароводородной смеси, первый вход которого связан с блоком подготовки суспензии, а также блок разделения водорода, оксидов алюминия и воды, связанный с Сегнеровым колесом, имеющим возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии, новым является то, что установка оснащена камерой сгорания, парогазовой турбиной и воздушным компрессором, ротор которого связан с Сегнеровым колесом, первый вход камеры сгорания связан с выходом блока разделения водорода, оксидов алюминия и воды, а второй - с каналом подачи воздуха воздушного компрессора, с которым также связан второй вход реактора, а выход камеры сгорания связан с парогазовой турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с потребителем или преобразователем энергии.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена принципиальная схема гибридной энергетической установки.
Гибридная энергетическая установка содержит блок 1 подготовки суспензии. Блок 1 имеет подводы для компонентов суспензии - воды и порошкового алюминия. Выход блока 1 связан с первым входом реактора 2 гидротермального окисления алюминия, со вторым входом которого связан каналом подачи воздуха воздушный компрессор 3 (например, волновой), ротор которого связан посредством вала 4 с Сегнеровым колесом 5. В качестве опор вала 4 использованы газостатические подшипники 6. С Сегнеровым колесом 5, соединен потребитель или преобразователь энергии, например, первый электрогенератор 7. Установка оснащена блоком 8 разделения водорода, оксидов алюминия и воды, вход которого связан с выходом Сегнерова колеса, а выход - с первым входом камеры сгорания 9, второй вход которой воздушным каналом связан с выходом компрессора 3. Камера сгорания каналом связана с парогазовой турбиной 10, вал ротора которой соединен с потребителем полученной на турбине 10 энергии. Это может быть потребитель механической энергии или электрической. Если необходимо получение электрической энергии, то с валом ротора турбины соединяют ротор второго электрогенератора 11. Установка может быть оснащена теплообменником 12, вход которого связан с газовым выходом турбины 10, а выход может быть подсоединен к водяному подводу блока 1. Установка оснащена насосом высокого давления 13, встроенным в линию подачи суспензии из блока 1 в реактор 2.
Заявленная установка компонуется из стандартных агрегатов. Электрогенераторы 7 и 11, равно, как и насос 13, а также теплообменник 12, являются стандартными серийными агрегатами. Волновой воздушный компрессор 3 и парогазовая турбина 10 также являются стандартными. В качестве блока 1 подготовки суспензии может быть использован любой смеситель, позволяющий в результате смешения порошкового алюминия и воды получить водный раствор с частицами алюминия размерностью не более 1 мкм. В качестве реактора 2 может быть использован генератор пароводородной смеси, раскрытый в источнике [1], работающий по принципам, изложенным в источниках [2-3]. В качестве блока разделения 8 может быть использована емкость, в которой за счет конденсации воды происходит выделение воды из смеси, за счет силы тяжести разделение твердых продуктов (оксидов алюминия) и газообразного водорода. В качестве камеры сгорания 9 может быть использован стандартный парогенератор, использующий воздух в качестве окислителя и воду для регулировки качества пара.
Гибридная энергетическая установка работает следующим образом.
2
2
кр
кр
В блок подготовки суспензии 1 подают воду и алюминий в виде порошка. В рабочем объеме блока подготовки суспензии 1 происходит высокоскоростное механическое перемешивание компонентов до получения суспензии. Готовая суспензия насосом высокого давления 13 через первый вход подается в предварительно прогретый нагревателем (не показан) до 350°C реактор 2. Давление подачи суспензии не менее 220 атмосфер. В реакторе 2 в результате экзотермической реакции гидротермального окисления алюминия 2Al+4HO→2AlO(OH)+3H+Q создается высокая температура и давление. Гидротермальное окисление основано на методе сверхкритического водного окисления. Под сверхкритическим состоянием вещества понимается состояние двухфазной системы «жидкость-пар», в которой параметры обеих сред становятся тождественными по всем своим свойствам, т.е. система превращается в однофазную (гомогенную). В этом состоянии молекулы вещества практически не связаны между собой, т.е. межмолекулярная энергия взаимодействия очень мала, как следствие, в системе наблюдается низкая вязкость и высокие коэффициенты диффузии. Именно эти два параметра предопределяют высокую скорость протекания реакции гидротермального окисления алюминия. В рассматриваемой установке в качестве сверхкритической жидкости используется вода, которая достигает своей критической точки при температуре T=350°C и давлении P=220 атм. При этом из полярной жидкости она превращается в неполярную среду, скорость диффузии возрастает. Расстояние между молекулами в этом состоянии значительно больше, чем в жидкости, по намного меньше, чем в паровой фазе.
Подробное описание процессов происходящих в реакторе описано в работах [1-2].
Из реактора 2 полученная пароводородная смесь под давлением подается на Сегнерово колесо, раскручивая его, а, следовательно, вал 4 и связанный с ним ротор первого электрогенератора 7, который вырабатывает
электрическую энергию. С выхода Сегнерова колеса 5 низкопотенциальная пароводородная смесь попадает в блок разделения 8, где происходит разделение водорода, оксидов алюминия и воды. Пароводородная смесь, попадая в блок разделения 8, расширяется и охлаждается, за счет чего вода конденсируется и скапливается на дне емкости блока разделения 8, а газообразный водород накапливается в верхней части емкости блока разделения 8, откуда производится его забор. Сконденсированная вода содержит в себе оксиды алюминия в виде твердой фазы. Разделение воды и оксидов алюминия может происходить любыми доступными методами, например, сепарацией или отстаиванием с последующим отделением твердого осадка. Оксиды алюминия направляются в накопительную емкость, а вода подается в камеру сгорания 9. Отделенный водород также поступает в камеру сгорания 9, в качестве окислителя в камеру сгорания 9 также подается сжатый воздух от компрессора 3. Смесь воздуха и водорода в камере сгорания 9 инициируется электрическим разрядом. Процесс горения сопровождается образованием высокотемпературного водяного пара. Далее, высокотемпературный водяной пар перемешивается с водой, отделенной в блоке разделения 8, образуя рабочее тело (водяной пар) заданной температуры. Горячий пар из камеры сгорания 9 попадает на турбину 10, где его энергия переходит в механическую энергию вращения ротора турбины, которая выдается потребителю или посредством связанного с турбиной второго электрогенератора 11 преобразуется в электрическую энергию. Отработанный пар из турбины 10 может выбрасываться в атмосферу или конденсироваться в теплообменнике 12 в конденсат, который возвращают в блок 1 для подготовки суспензии.
По завершении работы установки реактор 2 и все последующие узлы и трубопроводы установки продуваются воздухом, подаваемым под давлением от компрессора 3 через второй вход реактора 2. Продувка установки
обеспечивает ее очистку от продуктов реакции гидротермального окисления алюминия.
Заявленная установка обеспечивает высокоэффективную выработку водорода и использование энергии, полученной при его сжигании. За счет двухступенчатой выработки электрической энергии заявленная установка имеет более высокий общий коэффициент полезного действия. Использование установки позволяет вырабатывать как электрическую, гак и механическую энергию, что расширяет ее область применения.
Список источников.
1. Власкин М.С., Школьников Е.И., Берш А.В., Жук А.З., Лисицын А.В., Сороковиков А.И., Панкина Ю.В. Экспериментальная когенерационная энергетическая установка на основе гидротермального окисления алюминия // Известия РАН. Энергетика. 2011. No 6. С. 31-45.
2. Власкин М.С., Школьников Е.И., Лисицын А.В., Берш А.В. Термодинамический расчет параметров реактора окисления алюминия во влажном насыщенном паре // Теплоэнергетика. 2010. No 9. С. 60-66.
3. Берш А.В., Лисицын А.В., Сороковиков А.И., Власкин М.С., Мазалов Ю.А., Школьников Е.И. Исследование процессов генерации пароводородной смеси в реакторе гидротермального окисления алюминия для энергетических установок // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. No 6. С. 908-915.