ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДА

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике и может быть использовано при разработке эффективных энергоустановок на основе высокотемпературных твердооксидных электрохимических устройств для получения кислорода из воздуха.
Известны генераторы кислорода на основе твердооксидных электрохимических модулей, например, по пат. США №5186793, №5397443.
Известен генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, принятый за прототип (пат. РФ №2151219).
Недостатками данного технического решения являются сложная двухпоточная система подвода атмосферного воздуха между всеми твердоэлектролитными модулями, что снижает удельную объемную производительность генератора кислорода и может вызвать перекосы температурного поля внутри электрохимического блока, а также получение только чистого кислорода, что приводит к необходимости его смешивания с воздухом вне генератора, что требует дополнительного внешнего устройства для получения смеси с заданной степенью обогащения кислородом.
Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое техническое решение является повышение удельной объемной производительности генератора кислорода и получение двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.
Для достижения указанного результата предложен генератор кислорода, включающий электрохимический блок, состоящий из секций твердоэлектролитных модулей, нагревателей, теплообменников, воздуходувок и подводящих и отводящих патрубков, при этом твердоэлектролитные модули выполнены из трубчатых электролитических элементов диаметром 1-3 мм с открытыми торцами, расположенных внутри металлического корпуса прямоугольной формы, заполненного электропроводными гранулами, с сетчатыми торцами, перпендикулярными открытым торцам элементов, установлены сетчатыми торцами между противолежащими стенками внутреннего корпуса электрохимического блока, имеющими полости подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом с прямоугольными отверстиями, и разделены керамическими вставками, воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха и обедняющегося кислородом воздуха расположены на противоположных торцах внешнего корпуса и соединены со своими полостями на стенках внутреннего корпуса через рекуперативные теплообменники и стартовые нагреватели, а полости подвода и отвода воздуха, обогащающегося кислородом, с перфорированными стенками внутреннего корпуса электрохимического блока перпендикулярны полостям подвода и отвода воздуха, обедняющегося кислородом, а рекуперативные теплообменники выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что повышается удельная объемная производительность генератора кислорода с получением двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.
На фиг.1 приведена схема генератора кислорода, где
1 - твердоэлектролитный модуль,
2 - керамическая вставка,
3 - стенки внутреннего корпуса для воздуха, обедняющегося кислородом,
4 - полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обедняющегося кислородом,
5 - внешний корпус электрохимического блока,
6 - теплоизоляция,
7 - стартовый нагреватель воздуха, обедняющегося кислородом,
8 - рекуперативный теплообменник воздуха, обедняющегося кислородом,
9 - воздуходувка воздуха, обедняющегося кислородом,
10 - патрубок отвода воздуха, обедняющегося кислородом,
11 - полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обедняющегося кислородом. На фиг.2 приведена схема генератора кислорода вид сбоку, где
12 - стенки внутреннего корпуса для воздуха, обогащающегося кислородом,
13 - полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обогащающегося кислородом,
14 - стартовый нагреватель воздуха, обогащающегося кислородом,
15 - рекуперативный теплообменник воздуха, обогащающегося кислородом,
16 - воздуходувка воздуха, обогащающегося кислородом,
17 - патрубок отвода воздуха, обогащающегося кислородом,
18 - полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обогащающегося кислородом.
На фиг.3 показана керамическая вставка.
На фиг.4 показан вид по А-А фиг.1 на стенку внутреннего корпуса, где
19 - прямоугольные отверстия в стенке внутреннего корпуса для отвода воздуха, обедняющегося кислородом.
На фиг. 5 показан вид сверху по Б-Б фиг. 2.
Предлагаемый электрохимический модуль состоит из твердоэлектролитных модулей 1, которые могут быть выполнены по патенту №133653, разделенных керамическими вставками 2 и размещенных между стенками внутреннего корпуса для воздуха, обедняющегося кислородом, 3, образующими полость внутреннего корпуса подвода воздуха, обедняющегося кислородом, 4 и полость внутреннего корпуса отвода воздуха, обедняющегося кислородом, 11. Полости внутреннего корпуса подвода 4 и отвода 11 воздуха, обедняющегося кислородом, соединены, соответственно, с воздуходувкой воздуха, обедняющегося кислородом, 9 и патрубком выхода воздуха, обедняющегося кислородом, 10 через стартовый нагреватель воздуха, обедняющегося кислородом, 7 и рекуперативный теплообменник воздуха, обедняющегося кислородом, 8. Между стенками внутреннего корпуса 3 и внешним корпусом электрохимического блока 5 находится теплоизоляция 6. Перпендикулярно стенкам внутреннего корпуса, образующим полости для подвода 4 и отвода 11 воздуха, обедняющегося кислородом, расположены стенки 12 внутреннего корпуса, образующие полости для подвода 13 и отвода 18 воздуха, обогащающегося кислородом, при этом полости 13 и 18 соединены, соответственно, с воздуходувкой воздуха, обогащающегося кислородом, 16 и патрубком отвода воздуха, обогащающегося кислородом, 17 через стартовый нагреватель воздуха, обогащающегося кислородом, 14 и рекуперативный теплообменник воздуха, обогащающегося кислородом, 15. Воздуходувки обогащающегося кислородом воздуха 16 и обедняющегося кислородом воздуха 9 расположены на противоположных торцах внешнего корпуса 5, а рекуперативные теплообменники 8 и 15 выполнены плоскими зигзагообразными с теплоизоляционными слоями между зигами. Стенки внутреннего корпуса 3, прилегающие к твердоэлектролитным модулям 1, имеют прямоугольные отверстия 19 с отогнутыми наружу краями, соответствующими размерам твердоэлектролитных модулей 1, и отделены от последних керамическими вставками 2.
Предлагаемый электрохимический модуль работает следующим образом. Воздух, являющийся источником кислорода, подается воздуходувкой 9 через рекуперативный теплообменник 8 и стартовый нагреватель 7 в полость подвода воздуха 4, из которой через отверстия 19 подается внутрь твердоэлектролитных модулей 1, в которых за счет подвода постоянного тока часть кислорода восстанавливается до ионов кислорода и через твердый электролит поступает внутрь электролитических элементов, окисляется до молекулярного кислорода и через торцы элементов выделяется снаружи твердоэлектролитных модулей 1.
Воздух внутри твердоэлектролитных модулей 1 обедняется кислородом и отводится в полость 11, из которой через рекуперативный теплообменник 8, охлаждаясь сам и нагревая входящий воздух, и патрубок 10 отводится для использования.
Воздух, обогащающийся кислородом, подается воздуходувкой 16 через рекуперативный теплообменник 15 и стартовый нагреватель 14 в полость подвода воздуха 13, из которой через перфорации в стенке 12 подается во внутренний корпус, омывая снаружи твердоэлектролитные модули 1, из которых выделяется кислород, обогащающий воздух, после чего воздух отводится в полость 18, из которой через рекуперативный теплообменник 15, охлаждаясь сам и нагревая входящий воздух, и патрубок 17 отводится для использования. Внутри полостей отвода обедняющегося и обогащающегося кислородом воздуха 11 и 18 установлены твердоэлектролитные датчики кислорода (на фиг. не показаны), с помощью которых осуществляется управление воздуходувками 9 и 16 для создания заданных значений парциальных давлений кислорода в обедняющемся и обогащающемся воздухе.
2
3
2
3
2
3
2
2
В режиме запуска на стартовые нагреватели 7 и 14 подается необходимое напряжение для нагрева входных потоков воздуха, а напряжение на твердоэлектролитные модули не подается. После достижения необходимой рабочей температуры внутри электрохимического блока подается напряжение питания модулей и отключаются стартовые нагреватели. В дальнейшем температура внутри блока поддерживается за счет баланса между джоулевым теплом в твердоэлектролитных модулях и теплопотерями блока. Расчеты показывают, что при заявленных параметрах устройства - диаметр трубчатых электролитических элементов 1-3 мм, параметры модуля составляют около 0,4 м электролизной поверхности в 1 дм объема модулей, что при номинальной плотности тока 0,5 А/см соответствует удельной объемной производительности 7,6 л O/дм. В сравнении с аналогичным решением патентом США №5186793, являющегося прототипом патента РФ №2151219 -нашего прототипа, указаны параметры модуля: диаметр пористого носителя 50 мм, длина 450 мм. При заявленной плотности тока 2 А/смпроизводительность по кислороду составляет 3 л/мин, что соответствует удельной объемной производительности 2,67 л O/дм.
Таким образом, повышение удельной объемной производительности генератора кислорода составляет 2,8 раза, аналогичный рост производительности будет и по сравнению с прототипом.
Таким образом, за счет плотноупакованной конструкции твердоэлектролитных модулей и рекуперативных теплообменников в виде плоских зигзагообразных с теплоизоляционными слоями между зигами повышается удельная объемная производительность генератора кислорода с получением двух потоков воздуха с заданной степенью обеднения и обогащения кислородом.