ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Полезная модель относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода, как в стационарных установках, так и на транспорте.
2
Известен генератор водорода для питания энергетических установок использующий реакцию гидролиза, то есть разложение воды твердым реагентом (гидридами легких металлов LiH, ВеН и др.). Генератор включает реакционный сосуд, в который помещается "камера" с гидридом металла, теплообменник для отвода тепла реакции, устройство для перемешивания воды в реакционном сосуде (размещенное внутри последнего) и магистрали для подачи в реактор воды и отвода из реактора водорода (патент США №5572617, 13.12.1994 г. "Генерирование водорода путем гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ подводного назначения").
Недостатком данного генератора является высокая стоимость получаемого водорода, высокая энергоемкость системы терморегулирования генератора, тепловая инерционность, затрудняющая его использование в транспортных энергоустановках.
Известен генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенным в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, в состав генератора введена перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющая объем, превышающий объем жидкого реагента и снабженная магистралью наддува, а магистраль подачи
жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента, причем реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а внутри размещен реакционный сосуд (патент РФ №2243147, МПК C 01 D 3/08, B 01 J 7/00 опуб. 29.05.2003 г., "Генератор водорода транспортный энергоустановки" авторы Челяев В.Ф., Глухих И.Н. и др.).
Данное техническое решение принято авторами в качестве прототипа. К недостаткам этого технического решения следует отнести:
- необходимость частой перезагрузки контейнера с твердым реагентом;
- попадание продуктов реакции из контейнера в реакционный сосуд и сложность процедуры очистки от них реакционного сосуда;
- необходимость использовать реагент в виде гранул большого объема, чтобы он мог удерживаться в контейнере;
- жесткая расходная характеристика генератора, обусловленная сильной зависимостью скорости химической реакции от площади твердого реагента и как следствие этого сложность стабилизации работы генератора.
Техническим результатом является создание "мягкой" расходной характеристики и повышения быстродействия генератора водорода, за счет стабилизации режима работы и процесса гидролиза.
Технический результат достигается тем, что в генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенным в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода и магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции, пусковые нагреватели жидкости, перепускную емкость, сообщающуюся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющую объем,
превышающий объем жидкого реагента и снабженную магистралью наддува, при этом магистраль подачи жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещены пусковые нагреватели и датчик температуры жидкого реагента, а перепускная емкость и реакционный сосуд выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд расположен внутри, дополнительно установлены баллон с инертным газом, перестраиваемый редуктор на выходе, расходная емкость с обратным клапаном и байпасной магистралью расположенной параллельно обратному клапану, датчик давления, подключенный к магистрали наддува, блок управления с программным устройством, семь электроуправляемых клапанов, а также выполнены магистраль управления и две врезки, соединяющие магистрали управления и наддува с атмосферой, а внутри реакционного сосуда генератора водорода размещена емкость на ножках с отверстиями на боковой поверхности для сбора твердых продуктов реакции в которой установлены не менее двух контейнеров с пастообразным реагентом, выполненных в виде поршневых насосов, которые снабжены возвратной пружиной, а надпоршневое пространство их соединено магистралью управления, на выходе которой установлен перестраиваемый редуктор, расходная емкость с обратным клапаном и байпасной магистралью подключена к магистрали выдачи водорода, при этом первый электроуправляемый клапан установлен на врезке магистрали управления, второй электроуправляемый клапан установлен на магистрали подачи жидкого реагента, третий электроуправляемый клапан установлен на магистрали выдачи водорода, четвертый электроуправляемый клапан установлен на магистрали наддува, пятый электроуправляемый клапан установлен на магистрали управления, шестой электроуправляемый клапан установлен на байпасной магистрали, седьмой электроуправляемый клапан установлен на врезке магистрали наддува, а датчик давления,
электроуправляемые клапаны и перестраиваемый редуктор соединены с блоком управления.
На фиг.1 представлена схема генератора водорода транспортной энергоустановки; на фиг.2 - взаимное расположение перепускной емкости, реакционного сосуда и контейнеров с пастообразным реагентом.
Генератор водорода транспортной энергоустановки состоит из двух контейнеров с пастообразным реагентом 1, реакционного сосуда 2, магистрали выдачи водорода 3, магистрали подачи жидкого реагента 4, магистрали управления 5, байпасной магистрали 6, врезки 7 магистрали управления, магистрали наддува 8, врезки 9 магистрали наддува, теплообменника 10, пусковых нагревателей 11, перепускной емкости 12, запорного элемента 13, датчика температуры 14, емкости на ножках для сбора продуктов реакции 15 с отверстиями на боковой поверхности, баллона с инертным газом 16, поршня 17, возвратной пружины 18, программного устройства 19, блока управления 20, датчика давления 21, перестраиваемого редуктора 22, электроуправляемых клапанов 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 расходной емкости 30, обратного клапана 31.
Первый электроуправляемый клапан 23 установлен на врезке 7 магистрали управления 5, второй электроуправляемый клапан 24 установлен на магистрали подачи жидкого реагента 4, третий электроуправляемый клапан 25 установлен на магистрали выдачи водорода 3, четвертый электроуправляемый клапан 26 установлен на магистрали наддува 8, пятый электроуправляемый клапан 27 установлен на магистрали управления 5, шестой электроуправляемый клапан 28 установлен на байпасной магистрали 6, седьмой электроуправляемый клапан 29 установлен на врезке магистрали наддува 8.
Генератор работает следующим образом. При запуске программного устройства 19, связанного с блоком управления 20, открывается
электроуправляемый клапан 24 и жидкий реагент (например, водный раствор щелочи NaOH и воды) по магистрали подачи жидкого реагента 4 поступает в перепускную емкость 12 и нагревается пусковыми нагревателями 11. Запорный элемент 13 находится в закрытом положении. После достижения необходимой температуры, контролируемой по датчику температуры 14, пусковые нагреватели 11 отключаются, и открывается запорный элемент 13. Жидкий реагент из перепускной емкости 12 перетекает в реакционный сосуд 2. Под давлением воздуха, поддаваемого из магистрали наддува 8 при открытом электроуправляемом клапане 26. Давление наддува контролируется датчиком 21. В реакционный сосуд 2 подается пастообразный реагент из контейнеров 1, которые выполнены в виде поршневых насосов, поршни 17 которых перемещаются под давлением инертного газа поступающего из баллона 16 через перестраиваемый редуктор 22 при открытом электроуправляемом клапане 27 находящихся на магистрали управления 5. При перемещении поршней 17 пастообразный реагент (например, смесь алюминиевого порошка с водорастворимой пастой) выдается в сосуд 2. При взаимодействии пастообразного реагента с жидким реагентом начинается химическая реакция с выделением водорода и тепла, которое отводится с помощью теплообменника 10. Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала задают соответствующую температуру, которая контролируется с помощью датчика температуры 14 в реакционном сосуде 2, а затем более точно - регулируют величину подачи пастообразного реагента из контейнеров 1 в реакционный сосуд 2. Также можно регулировать уровень жидкого реагента в реакционном сосуде 2, изменяя давление в перепускной емкости 12 с помощью датчика давления 21, электроуправляемого клапана 26 установленного на магистрали наддува 8, программного устройства 19 и блока управления 20. Давление в перепускной емкости 12 задается программным устройством 19, контролируется с датчика давления 21,
связанного с блоком управления 20. Для обеспечения необходимого давления открывается электроуправляемый клапан 26, связанный с блоком управления 20, и из магистрали наддува 8 поступает определенное количество воздуха (например от компрессора или воздушной магистрали). При достижении необходимого давления электроуправляемый клапан 26 закрывается. После установки необходимого уровня жидкого реагента в реакционном сосуде 2 запорный элемент 13 может находиться либо в перекрытом положении, либо в открытом. В последнем случае при постоянном давлении в перепускной емкости обеспечивается автоматическая стабилизация режима работы генератора водорода. При повышении давления водорода в реакционном сосуде 2 жидкий реагент из него вытесняется в перепускную емкость 12, уменьшается площадь поверхности реагирующего пастообразного реагента, контактирующего с жидким реагентом, и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде 2 падает. При снижении давления в реакционном сосуде 2 жидкий реагент, поступает в него из перепускной емкости 12. Повышается уровень жидкости в реакционном сосуде 2 и увеличивается смоченная площадь пастообразного реагента. Как следствие увеличивается и расход генерируемого водорода. Производительность генератора водорода регулируется также за счет изменения подачи имеющегося в контейнерах 1 пастообразного реагента (порошкообразный алюминий, гидрид алюминия или магния покрытые водорастворимой полимерной пленкой в виде пасты), который дополнительно вводиться в среду жидкого реагента через мелкие отверстия находящиеся в нижней части контейнеров 1.
Образующийся в реакционном сосуде 2 водород отводится по магистрали 3 для питания энергоустановки и скапливается в расходной емкости 30, на которой установлен обратный клапан 31 и электроуправляемый клапан 28 в байпасной магистрали 6, для чего
открывается электроуправляемый клапан 25 связанный с блоком управления 20. Изменение режима работы генератора водорода осуществляется изменением величины давления в перепускной емкости 12 путем открытия электроуправляемого клапана 26. Повышение производительности генератора также осуществляется с помощью открытия электроуправляемого клапана 27, и работы перестраиваемого редуктора 22, через которые из баллона 16 поступает инертный газ по магистрали управления 5, тем самым воздействуя на поршни 17. Находящийся пастообразный реагент в контейнерах 1 под действием поршней 17 поступает в среду жидкого реагента, что увеличивает количество получаемого водорода. Давление, действующее на поршни 17 изменяется с помощью перестраиваемого редуктора 22 связанного с блоком управления 20.
Для кратковременного увеличения расхода водорода для энергоустановки открывается клапан 28 и водород из расходной емкости 30, минуя обратный клапан 31, поступает в энергоустановку.
Остановка генератора водорода осуществляется путем понижения давления в перепускной емкости 12. Для этого открывается электроуправляемый клапан 29 и воздушная полость перепускной емкости 12 по врезке 9 магистрали наддува 8 соединяется с атмосферой. При этом уровень жидкого реагента в реакционном сосуде 2 становится ниже уровня расположения контейнеров с пастообразным реагентом 1. При этом одновременно происходит закрытие электроуправляемых клапанов 27 и 28, а электроуправляемый клапан 23 открывается и через него происходит стравливание воздуха в атмосферу по врезке 7 магистрали управления 5 за счет возвратных пружин 18 контейнеров 1 и подача пастообразного реагента прекращается. Прекращаются реакции взаимодействия пастообразного и жидкого реагентов. Выделение водорода прекращается.
Продукты реакции, например, оксид или гидроксид алюминия, накапливаются в емкости 15 для сбора продуктов реакции и затем удаляются из генератора. В качестве реагента в генераторе могут использоваться порошкообразный алюминий, гидрид алюминия или магния, покрытые водорастворимой полимерной пленкой (раствор полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте), изготовленные в виде пасты.
При повторном пуске генератора водорода оставшийся в перепускной емкости 12 жидкий реагент снова подогревают, что сокращает время выхода генератора на режим. Для удобства размещения генератора водорода реакционный сосуд 2 и перепускную емкость 12 целесообразно выполнить в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд 2 разместить внутри перепускной емкости 12, а для обеспечения возможности непрерывной работы генератора водорода устанавливается не менее двух контейнеров 1 с пастообразным реагентом. При этом замена контейнеров 1 производится при остановленном генераторе водорода одновременно или поочередно. При замене контейнеров 1 энергетическая установка питается от расходной емкости 30.
Предлагаемое техническое решение позволяет создать компактный генератор водорода, имеющий глубокую степень регулировки, "мягкую" расходную характеристику, повышенное быстродействие и способный работать в режиме автостабилизации.