АВТОНОМНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SELF-CONTAINED COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к энергетическим установкам, содержащим электрохимические генераторы, и может быть использовано в транспортных средствах и объектах малой энергетики.
Известна энергетическая установка подводной лодки (патент РФ № 2236984, МКП B63G 8/08, опубл. 27.09.2004), которая содержит электрохимический генератор и химический реактор, в котором путем гидротермального окисления порошка алюминия образуется пароводородная смесь, систему смешивания порошка алюминия с водой, насосы для подачи суспензии в химический реактор, устройства для разделения водорода и паров воды, фильтр-осушитель водорода перед подачей его в электрохимический генератор, цистерну с водой и системы сбора воды и твердых продуктов реакции (гидрооксидов алюминия). Недостатком данной энергетической установки является то, что для выработки электроэнергии используется лишь химическая энергия водорода, а энергия пароводородной смеси с температурой ~300°С, способной совершать механическую работу, никак не используется. В литературе предлагается использовать энергию пароводородной смеси в пароводородной турбине.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической мощности и электрического к.п.д. энергетической установки и увеличение коэффициента использования топлива (порошка алюминия).
Решение поставленной задачи достигается тем, что автономная комбинированная энергетическая установка, которая содержит бункер с порошком алюминия, подающее устройство, смеситель, насос высокого давления, распылительное устройство, химический реактор, дроссельные регуляторы, конденсаторы, фильтр-осушитель водорода, электрохимический генератор, питательную емкость с водой, снабжена пароводородной турбиной, теплообменниками-конденсаторами, котлом-утилизатором, который связан с химическим реактором через дроссельный регулятор, а также соединен с электрохимическим генератором, пароводородной турбиной и через теплообменник-конденсатор с сепаратором, а пароводородная турбина через свой теплообменник-конденсатор, сепаратор, фильтр и осушитель водорода соединена с электрохимическим генератором. Котел-утилизатор содержит секцию генерации дополнительного пара, секцию перегрева пароводородной смеси двух секций и секцию подогрева воздуха, поступающего в электрохимический генератор. Теплоносителем в котле-утилизаторе являются уходящие из топливного элемента газы, которые, пройдя через котел-утилизатор, теплообменник-конденсатор и сепаратор, сбрасываются в окружающую среду. Охлаждающей средой в теплообменниках-конденсаторах может служить вода, используемая в системах теплоснабжения. Таким образом, пароводородная смесь, проходя через котел-утилизатор, будет нагреваться до температуры 400-600°С в зависимости от типа топливного элемента. Расчет теплового баланса показывает, что теплоты, выделяемой уходящими из электрохимического генератора газами при их температуре 800°С, достаточно для нагрева пароводородной смеси от температуры 300°С до температуры 550-600°С с учетом увеличения расхода пароводородной смеси на 30-40% за счет дополнительного подвода воды. Мощность пароводородной турбины повышается примерно в 1,5 раза.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемой автономной комбинированной энергетической установки, представленной на чертеже.
Автономная комбинированная энергетическая установка содержит бункер с порошком алюминия 1, связанный с помощью подающего устройства 2 со смесителем 3, соединенным с питательной емкостью 24, снабженной системой водоподготовки 25 и насосом подпитки 26, насос высокого давления 4 и распылительное устройство 5, химический реактор 6 по пароводородной фазе, связанный через дроссельный регулятор 7 с котлом-утилизатором 8, соединенным с пароводородной турбиной 9, которая через теплообменник-конденсатор 10, сепаратор 11, дроссельный регулятор 12, фильтр 13 и осушитель водорода 14 связана с электрохимическим генератором 15, а по жидкой фазе через дроссельный регулятор 16 с циклоном-сепаратором 17, который соединен с емкостью сбора твердых продуктов реакции 18 и конденсатором 19. Котел-утилизатор 8 соединен с электрохимическим генератором 15 и через теплообменник-конденсатор 20 с сепаратором 21. Конденсатор 19 и сепараторы 11, 21 соединены со сборником конденсата 22, который через насос низкого давления 23 соединен с питательной емкостью 24. Питательная емкость 24 через насос высокого давления 27 соединена с магистралью парогенерирующей секции котла-утилизатора 8.
Работа автономной комбинированной энергетической установки осуществляется следующим образом.
Порошок алюминия поступает в бункер 1, откуда с помощью подающего устройства 2, выполненного в виде шнека, подается в смеситель 3, где смешивается в заданном соотношении с водой, поступающей из питательной емкости 24. Из смесителя водно-алюминиевая суспензия закачивается насосом высокого давления 4 через распылительное устройство 5 в химический реактор 6. В химическом реакторе 6 в процессе реакции при температуре 300°С образуется гидроокись алюминия и водород, которые непрерывно выводятся из реактора в виде пароводородной смеси (смесь водорода с насыщенным водяным паром) и водной суспензии гидроокиси алюминия (бемита). Пароводородная смесь из химического реактора 6 через дроссельный регулятор 7, поддерживающий заданное давление при расходе 370-380 кг/час, направляется в котел-утилизатор 8, где нагревается до температуры 400-600°С и поступает в пароводородную турбину 9. Отработанная в пароводородной турбине 9 пароводородная смесь поступает в теплообменник-конденсатор 10 и далее в сепаратор 11, где водород отделяется от воды. Конденсат из сепаратора 11 поступает в сборник конденсата 22. Выделившийся водород проходит дроссельный регулятор 12, снижающий давление до заданного уровня, фильтр 13, улавливающий остаточный высокодисперсный порошок алюминия, осушитель водорода 14 и поступает на вход электрохимического генератора 15. Сюда же по магистрали подачи воздуха поступает воздух, предварительно нагретый до температуры 200-300°С в котле-утилизаторе 8, а затем проходят через теплообменник-конденсатор 20 в сепаратор 21, откуда конденсат поступает в сборник конденсата 22, а азот выбрасывается в атмосферу. Водная суспензия продуктов реакции (бемита), выходящая из химического реактора 6 через дроссельный регулятор 16, в котором давление снижается до атмосферного (при этом большая часть воды испаряется) направляется в циклон-сепаратор 17, из которого в виде насыщенного пара уходит в конденсатор 19, а твердый осадок через емкость сбора твердых продуктов реакции 18 выводится из установки. Конденсат из конденсатора 19 поступает в сборник конденсата 22. В сборнике конденсата 22 выделяется растворенный в конденсате водород, поступающий затем на утилизацию, а вода закачивается насосом низкого давления 23 в питательную емкость 24. Вода, питающая химический реактор, пройдя систему водоподготовки 25, соединяется в питательной емкости 24 с водой, поступающей из сборника конденсата 22, и направляется в смеситель 3. Горячая вода, получаемая в теплообменниках-конденсаторах 10, 20 и конденсаторе 19, отводится в систему внешнего теплоснабжения.
В предлагаемой автономной комбинированной энергетической установке мощность установки, по сравнению с прототипом, увеличивается на 40-45%, а энергетическая эффективность использования топлива (порошка алюминия) возрастает до 85%.