ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ГЕНЕРАТОРОМ ВОДОРОДА

Полезная модель относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках внутреннего сгорания, использующих в качестве компонентов топлива водород, включающих в свой состав генераторы водорода.
Известна энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе алюминия в водном растворе щелочи, систему подачи водорода, систему подачи воздуха и систему управления, в состав энергоустановки введена, по крайней мере, одна теплоизолированная емкость с жидкими продуктами гидролиза, гидравлически соединенная с генератором водорода магистралью с отсечным клапаном и снабженная сливным клапаном, дренажным клапаном и датчиком уровня жидкости, при этом выход системы подачи воздуха магистралью с разделительным клапаном подключен к нижней части емкости с жидкими продуктами гидролиза, вход электрохимического генератора по воздуху пневматически сообщен с воздушной подушкой этой емкости, а все клапаны и датчик уровня жидкости подключены к системе управления энергоустановки. [Патент РФ №2291524, МПК Н01М 8/06, БИ №16, 2007 г., авторы Глухих И.Н., Челяев В.Ф., Щербаков А.Н. «Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором»].
Недостатком энергоустановки является высокая ее стоимость, отсутствие плавного регулирования, стабилизации режима и необходимого быстродействия.
Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом, имеющий магистраль выдачи водорода, на которой установлен влагоотделитель, накопитель водорода и электроуправляемый клапан, магистраль подачи жидкого регента, состоящую из емкости с концентрированным раствором щелочи, смесителя и двух электроуправляемых клапанов, магистраль слива воды, соединенную со смесителем, на которой установлены емкость сбора воды с уровнемером, съемная бустерная емкость, дозатор воды и два электроуправляемых клапана, магистраль отвода продуктов реакции, на которой установлены емкость с жидким продуктом гидролиза с уровнемером жидкости и три электроуправляемых клапана, линию подачи воздуха в топливные элементы, на которой установлены компрессор, емкость с жидким продуктом гидролиза и клапан, магистраль наддува, на которой установлены компрессор, вакуум насос, датчик давления и три электроуправляемых клапана, а на линии выхода воздуха установлен клапан и все электроуправляемые клапаны и датчик уровня жидкости подключены к блоку программного управления, причем, в энергоустановку дополнительно введены обогреваемая емкость, шесть электроуправляемых клапанов, расходомер водорода, два устройства для измерения концентрации, три уровнемера, датчик давления, блок обработки и анализа, блок измерения, который последовательно соединен с блоком управления и насос прокачки отработанного раствора щелочи, смеситель размещен в обогреваемой емкости, которая имеет сброс в канализацию, и в нем установлен первый измеритель концентрации и датчик температуры, а вход смесителя соединен с выходом влагоотделителя, вход обогреваемой емкости соединен с выходом теплообменника охлаждения генератора водорода, бустерная емкость выполнена теплоизолированной, причем вход насоса прокачки отработанного раствора щелочи, соединен через третий электроуправляемый клапан с выходом емкости жидкого продукта гидролиза, которая выполнена в нижней части конусообразной и на ее выходе стоит второй электроуправляемый клапан сброса шлама, а на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза стоит первый электроуправляемый клапан, на выходе насоса установлен второй измеритель концентрации отработанного раствора щелочи, а выход насоса прокачки отработанного раствора щелочи соединен через шестой электроуправляемый клапан со сбросом в канализацию и пятый электроуправляемый клапан соединен со входом в смеситель, причем на входе в ЭХГ установлен расходомер водорода, в накопителе водорода установлен датчик давления, а на его выходе установлен четвертый электроуправляемый клапан, причем первый измеритель уровня воды установлен в дозаторе воды, второй измеритель уровня воды установлен в бустерной емкости, а третий измеритель уровня раствора щелочи установлен в реакционном сосуде генератора водорода, первый, второй и третий измерители уровня жидкости, датчик давления, расходомер водорода, измерители концентрации соединены с блоком измерения, а блок программного управления соединен со всеми шестью электроуправляемыми клапанами. [Патент РФ №85759, МПК Н01М 8/06, С01В 3/00, БИ №22, 2009 г., авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. «Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором»].
Недостатком энергоустановки является отсутствие плавного регулирования, стабилизации режима и низкое быстродействие.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является обеспечение плавного регулирования, стабилизация режима работы энергоустановки и повышение быстродействия.
Технический результат достигается тем, что энергоустановка с генератором водорода, содержащая, по крайней мере, один генератор водорода, состоящий из цилиндрического корпуса с крышкой с перепускным патрубком, на котором установлен электроуправляемый клапан и дном, цилиндрического реактора с крышкой с патрубком выдачи водорода, на котором установлены два электроуправляемых клапана, накопитель водорода с электроуправляемым клапаном, перфорированный контейнера с твердым реагентом, сливной емкости с электроуправляемым клапаном, змеевика охлаждения, энергоустановка выполнена из двигателя внутреннего сгорания или дизеля с воздушным коллектором и системой охлаждения, реактор жестко установлен через крышку корпуса генератора с зазором к его дну, контейнер с твердым реагентом установлен на дне корпуса и выполнен с горизонтальными перфорированными перегородками, между которыми размещен твердый реагент, который состоит из смеси твердой щелочи и энергоаккумулирующего материала, между реактором и корпусом генератора размещен змеевик охлаждения, который соединен с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля патрубком подачи и патрубком выхода охлаждающей воды, патрубок выдачи водорода соединен с воздушным коллектором двигателя, на котором установлен датчик расхода воздуха и датчик расхода водородовоздушной смеси, накопитель водорода соединен через электроуправляемый клапан с перепускным патрубком корпуса генератора, перепускной патрубок соединен через электроуправляемый клапан со сливной емкостью, патрубок выхода охлаждающей воды из генератора водорода соединен через электроуправляемый клапан со змеевиком охлаждения, выхлопная труба соединена со сливной емкостью, причем на патрубке выхода водорода установлен датчик давления и датчик температуры, на патрубке подачи охлаждающей воды из двигателя внутреннего сгорания или дизеля в змеевик охлаждения установлен расходомер воды и датчик температуры, а на патрубке выдачи охлаждающей воды установлены датчики температуры, контейнер выполнен в форме конуса и установлен своим основанием на дно корпуса генератора.
Выполнение контейнера с твердым реагентом с перфорированными перегородками позволяет плавно регулировать производительность генератора водорода.
Выполнение энергоустановки из двигателя внутреннего сгорания с генератором водорода позволяет создать энергоустановку, использующую несколько видов топлива, как например, и использовать водород в качестве добавки к основному виду топлива.
Соединение змеевика охлаждение с системой охлаждения двигателя позволяет охлаждать генератор водорода штатной системой двигателя и наполнять генератор водорода водой из системы охлаждения двигателя.
Соединение выхлопной трубы со сливной емкостью позволяет нейтрализовать выхлопные газы продуктами реакции получения водорода.
Соединение накопителя водорода с крышкой корпуса позволяет регулировать производительность генератора водорода, используя для этого полученный ранее водород, который находится под необходимым давлением.
На фиг.1 - схема энергоустановки с генератором водорода с цилиндрическим контейнером.
На фиг.2 - схема энергоустановки с генератором водорода с конусообразным контейнером.
Дизельная энергоустановка с генератором водорода состоит из двигателя внутреннего сгорания или дизеля 1, воздушного коллектора 2 с датчиком расхода воздуха 3 и датчиком расхода водородовоздушной смеси 4, выхлопного коллектора 5, генератора водорода состоящего из цилиндрического корпуса 6 с крышкой 7, перепускным патрубком 8 с электроуправляемым клапаном 9, дном корпуса 10, цилиндрического реактора 11 с крышкой 12 и патрубком выдачи водорода 13, на котором установлен датчик давления 14, датчик температуры 15, электроуправляемый клапан 16, и электроуправляемый клапан 17, накопитель водорода 18, который соединен через электроуправляемый клапан 19 с патрубком выдачи водорода 13 и через электроуправляемый клапан 20 с перепускным патрубком 8, цилиндрического или конусного контейнера 21 с перфорированными перегородками 22, который размещен внутри реактора и установлен на дне генератора, твердого реагента 23 и змеевика охлаждения 24, который размещен между реактором и корпусом генератора, патрубком подачи охлаждающей воды 25 из двигателя внутреннего сгорания или дизеля, на котором установлен электроуправляемый клапан 26, расходомер воды 27, датчик температуры 28, патрубком выхода охлаждающей воды 29 из генератора водорода, на котором установлен электроуправляемый клапан 30, датчик температуры 31, патрубок подачи воды 32 в реактор с электроуправляемым клапаном 33, сливной емкости 34, которая соединена с дном генератора водорода через электроуправляемый клапан 35, с перепускным патрубком 8 через электроуправляемый клапан 9 и с выхлопным коллектором 5. Твердый реагент состоит из смеси сыпучего энергоаккумулирующего материала и твердой щелочи.
Энергоустановка с генератором водорода работает следующим образом.
Запускают двигатель внутреннего сгорания или дизеля 1, при этом закрывают электроуправляемый клапан 16 и открывают электроуправляемый клапан 17 подачи водорода в воздушный коллектор 2 двигателя внутреннего сгорания 1. Водород подается из накопителя водорода 18 в воздушный коллектор 2 через открытые электроуправляемые клапан 17 и 19.
Воздух, попадая в воздушный коллектор из атмосферы, проходит через датчик расхода воздуха 3. Затем воздух смешивается с водородом с образованием гомогенной водородовоздушной смеси и поступает в двигатель внутреннего сгорания или дизель 1 через датчик расхода водородовоздушной смеси 4.
Для предотвращения детонации водорода в воздушном коллекторе водород подается в воздушный коллектор 2 в количестве не более 4% от массы воздуха. Расход воздуха контролируется датчиком расхода воздуха 3, а расход водорода контролируется датчиком расхода водородовоздушной смеси 4. При изменении режима работы двигателя внутреннего сгорания или дизеля 1 изменяется расход воздуха и автоматически изменяется расход водорода при помощи электроуправляемых клапанов 13 и 19.
Выхлопные газы отводятся из двигателя внутреннего сгорания или дизеля в выхлопной коллектор 5, откуда направляются в сливную емкость 34. Выхлопные газы, проходя через сливную емкость, нейтрализуются в ней в результате контакта с отработанным раствором щелочи и выходят в атмосферу.
После непродолжительной работы двигателя внутреннего сгорания или дизеля открывают электроуправляемый клапан подачи воды 26. Разогретая вода из водяной системы дизеля подается в змеевик охлаждения 24 по патрубку подачи охлаждающей воды 25. Пройдя через змеевик охлаждения, вода направляется в реактор 11 генератора водорода по водяному патрубку 32 через электроуправляемый клапан 33. Для прохода воды в реактор 11 генератора водорода электроуправляемые клапаны 30 и 35 закрывают, а электроуправляемый клапан 9 открывают. Закрытый электроуправляемый клапан 30 препятствует выходу охлаждаемой воды из змеевика охлаждения 24 в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля по патрубку выхода охлаждающей воды 29, а закрытый электроуправляемый клапан 35 препятствует выходу охлаждаемой воды из змеевика охлаждения в сливную емкость 34. Открытый электроуправляемый клапан 9 обеспечивает выход воздуха из реактора при, подаче в него воды, в атмосферу через сливную емкость 34. Количество воды подаваемой в реактор контролирует расходомер воды 27, который установлен на патрубке подачи охлаждающей воды 25.
После заполнения реактора 11 генератора водорода водой до необходимого уровня закрывают электроуправляемые клапаны 9 и 33 и открывают электроуправляемый клапан 30 и охлаждающая вода направляется из змеевика охлаждения 24 в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля по патрубку выхода охлаждающей воды 29.
При подачи горячей воды в реактор генератора водорода твердая щелочь начинает растворятся в воде с образованием жидкого щелочного раствора. Этот раствор снимает оксидную пленку с твердого реагента 23, например, алюминия и далее при контакте щелочного раствора воды с алюминием начинается химическая реакция разложения воды на кислород и водород, в результате которой выделяется водород и тепло. Для отвода выделяемого тепла в змеевик охлаждения 24 подается вода из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля.
Кислород взаимодействует с алюминием с образованием на его поверхности оксидной пленки и гидрооксида алюминия, а водород скапливается в верхней части реактора 11. При достижении определенного давления открывают электроуправляемый клапан 16 и закрывают электроуправляемый клапан 19 и водород через патрубок выдачи водорода 13 поступает в воздушный коллектор 2.
Для изменения производительности генератора водорода изменяют площадь контакта водного раствора щелочи с энергоаккумулирующим реагентом путем изменения высоты столба водного раствора щелочи в реакторе 11 генератора водорода, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера 21 с твердым реагентом 23. Для этого повышают давление в реакторе 11 генератора водорода или в его корпусе 6. Реактор 11 жестко установлен по вертикальной оси крышки корпуса 7 с зазором ко дну 10 корпуса. Сверху реактор 11 закрыт крышкой 12, в которой жестко установлен патрубок выдачи водорода. Контейнер 21 установлен на дне 10 корпуса 6 и выполнен с множеством горизонтальных перфорированных перегородок 22. Между перегородками 22 контейнера 21 засыпают гранулированный алюминий и твердую гранулированную щелочь.
Для увеличения давления в реакторе полностью и частично перекрывают патрубок выдачи водорода 13 электроуправляемым клапаном 16 и открывают полностью или частично перепускной патрубок 8 электроуправляемым клапаном 9. После чего увеличивающееся давление в реакторе начинает вытеснять жидкий раствор щелочи в корпус 6 генератора водорода. При этом воздух, находящийся в верхней части корпуса генератора водорода вытесняется жидким раствором щелочи в сливную емкость 34 через перепускной патрубок, а из нее - в атмосферу. После того как весь раствор щелочи будет вытеснен из реактора закрывается электроуправляемый клапан 9 и выделение водорода постепенно прекращается, по мере выработки того раствора щелочи который остается на поверхности твердого реагента после его смачивании.
Диаметр корпуса 6 генератора водорода и диаметр его реактора 11 выбирается с учетом полного вытеснения щелочного раствора в корпус генератора водорода без его вытеснения в сливную емкость через перепускной патрубок 8.
Для последующего запуска генератора водорода открывают электроуправляемый клапан 16 и водород оставшийся в реакторе выходит в патрубок выдачи водорода 13, при этом давление в реакторе снижается и щелочной раствор перетекает в реактор. Для увеличения производительности генератора водорода повышают давление в корпусе 6 генератора. Для этого открывают электроуправляемый клапан 20 и подают водород из накопителя водорода 18 в корпус 6 генератора. Поданный водород вытесняет щелочной раствор в реактор, тем самым, увеличивая высоту столба щелочного раствора в реакторе, после чего электроуправляемый клапан 20 закрывают.
Если далее необходимо снизить производительность генератора водорода открывают электроуправляемый клапан 20 и поданный ранее водород в корпус вытесняется обратно в накопитель водорода 18, после чего закрывается электроуправляемый клапан 20.
При уменьшении мощности дизеля сокращается расход водорода, при этом для предотвращения изменения режима работы генератора водорода сокращают подачу водорода в воздушный коллектор, а оставшийся водород подают в накопитель водорода 18 при частично или полностью закрытом электроуправляемом клапане 17. При увеличении мощности двигателя внутреннего сгорания или дизеля возобновляют подачу водорода без изменения режима работы генератора водорода, а при его недостатке часть водорода подают из накопителя водорода в воздушный коллектор. Таким образом, обеспечивается режим работы генератора водорода на средней производительности.
При необходимости подачи водорода в повышенном объеме открывают электроуправляемый клапан 20 и реактор генератора водорода полностью заполняют раствором щелочи, тем самым, увеличивая его производительность.
При необходимости во время работы генератора водорода часть гидрооксида щелочи может сливаться из реактора в сливную емкость 34 через электроуправляемый клапан 35.
Температура охлаждающей воды контролируется датчиком температуры 28, который установлен на патрубке подачи охлаждающей воды 25 и датчиком температуры 31 установленным на патрубке выхода охлаждающей жидкости 29.
Температура водорода контролируется датчиком температуры 15, который установлен на патрубке выдачи водорода 13. Давление водорода контролируется датчиком давления 14, который установлен на патрубке выдачи водорода 13.
Предлагаемая энергоустановка с генератором водорода обеспечивает совместную работу двигателя внутреннего сгорания или дизеля с генератором водорода, «мягкую» расходную характеристику генератора водорода в составе энергоустановки, повышенное быстродействие и снижение токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.