Топливный модуль
FUEL MODULE

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к топливным модулям и предназначено для использования в энергетике и транспортном машиностроении. Может быть использовано в паровых котлах.
Известные тепло-нагревательные элементы, как правило, работают от электрической энергии и носят название термоэлектрический нагреватель (ТЭН).
В современном мире ТЭН как нагревательный электрический элемент широко используется как в быту, так и в промышленности.
На основании значительного количества работ ученых 19-20 веков, по теории разветвленных цепных реакций посвященных детализации механизма отдельных, так называемых модельных процессов химической реакции, открывают большие возможности по управлению этими процессами. Ведущую роль в исследованиях кинетических особенностей сложных окислительных реакций сыграли советские химики и физики, которым по праву принадлежит пальма первенства при решении основных проблем химической кинетики.
Многолетнее развитие современной науки в окислительных реакциях показало, что для управления этими процессами необходимо полностью знать все детали их механизма. Необходимо было получить не только общее представление о тех элементарных реакциях, через которые осуществляются эти процессы, но и уметь определять значение констант скоростей таких элементарных стадий. Наиболее хорошо изученным окислительным процессом, все важные детали механизма которого действительно можно считать известными, является окисление водорода. Термическая реакция окисления водорода определяется как единственная простейшая реакция, протекающая через разветвленные цепи.
Уже первые систематические исследования термической реакции окисления водорода при низких давлениях, проведенные в 1928 году, Д.И. Коппом, А.А. Ковальским, А.В. Загулиной и Н.Н. Семеновым показали, что законы ее протекания не укладываются в рамки обычной химической кинетики
(Интернет. knowledge.allbest.ru>Химия>…_0.html).
Этими авторами был обнаружен и исследован так называемый полуостров воспламенения. Оказалось, что при низких давлениях область, в которой осуществляется самовоспламенение гремучей смеси, сильно вытягивается в сторону низких температур. Важно отметить, что хорошо изучены лишь те явления, которые происходят при температуре 500-600°С, и давлении 1-1,5 атм. При повышении или понижении давления (при данной температуре) воспламенение прекращается. Этими авторами были выведены две эмпирические формулы верхнего и нижнего пределов воспламенения. Расположение пределов самовоспламенения зависит от ряда факторов: состав смеси, диаметра сосуда, примеси инертных газов и т.д. На основании данных теории оказалось возможным предсказать ряд эффектов, которые были впоследствии обнаружены экспериментально. Учеными так же было установлено, что скорость реакции объемного обрыва цепей сильно зависит от давления. Совокупность факторов, влияющих на реакцию обрыва цепей, и приводит к равенству скоростей обрыва и разветвления цепей, такое равенство обуславливает переход от воспламенения к медленной стационарной реакции. Важно так же отметить влияние инертных газов на парциальное давление в химической системе. Разбавление горючей смеси инертным газом на 50% понижает парциальное давление на 10-20%. Кроме того, инертный газ приводит к гибели цепи при тройном столкновении активного центра (молекула М третья частица).
2
2
2
2
2
H+О+М>HO+М, HO+Н>Н+O.
2
2
2
кДж
На основании анализа всех фундаментальных, теоретических и экспериментальных работ на тему разветвленных цепных реакций водорода и кислорода, включая и монографию А.Б. Налбандяна и В.В. Воеводского (Интернет.https://academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1452716, Налбандян А.Б., Воеводский В.В. Механизм окисления и горения водорода /АН СССР. Ин-т хим. физики. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 1949. - 180 с: граф. - Библиогр.: с. 177-178 (91 назв.).), можно с твердостью утверждать, что водород есть настоящее идеальное природное топливо 2Н+O=2Н+485=.
Изобретение топливного модуля (далее ТМ) будет подтверждением данного постулата.
В современном мире ТЭН как нагревательный электрический элемент широко используется как в быту, так и в промышленности.
Известен Улучшенный электрообогреватель (патент US 25532, МПК Н01С 7/22, опубл. 20 сентября 1859), состоящий из металлической спирали, встроенной в металлическую трубку.
Известен Котел электрический водогрейный (патент РФ 36492, МПК F24H 1/20, опубл. 10.03.2004), содержащий снабженный подводящим и отводящим патрубками корпус с установленным в нем нагревательным блоком в виде набора U-образных трубчатых электрических нагревателей (ТЭН), закрепленных на съемном днище корпуса.
Недостатком известных технических решений является низкий КПД устройств.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков являемся Блок трубчатых электронагревателей оборудования (патент РФ 2691891, МПК H05K 7/20, опубл. 18.06.2019), включающий крышку, в которой жестко герметично закреплены трубчатые электронагреватели с выводами, предлагается на крышке блока трубчатых электронагревателей со стороны выводов трубчатых электронагревателей установить цилиндрическую обечайку, на верхней половине которой выполнить сквозную перфорацию, на внутренней поверхности цилиндрической обечайки жестко закрепить несколько тепловых экранов с отверстиями для каждого трубчатого электронагревателя, причем диаметр отверстий в тепловых экранах превышает наружный диаметр трубчатого электронагревателя.
Недостатком известного технического решения-прототипа является низкий КПД устройства.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении КПД парового котла без применения любою вида топлива.
Технический результат от применения изобретения заключается в повышении КПД устройства за счет непрерывного процесса химической реакции водорода и кислорода в динамическом равновесии, проходящего в топливном модуле, конструкция которого представляет собой закрытую химическую систему, внутри которой осуществляется непрерывная химическая реакция водорода и кислорода (изохорный процесс), в динамическом равновесии.
Это достигается за счет того, что топливный модуль, включающий фланец, в котором жестко герметично закреплен трубчатый электронагреватель с выводами, на которых выполнен узел разборного электрического подсоединения, согласно изобретению, представляет собой оболочку, имеющую форму шара с рельефной внутренней и внешней поверхностью, внутри оболочки установлены электрический элемент нагрева (ТЭН), закрепленный на стойке, датчик давления, датчик температуры, на внутренней поверхности оболочки установлен датчик ее температуры, по внешней стороне оболочки расположены тепловые трубки, крепеж для его крепления в паровом котле, модуль подачи отвода тазов, тазовый модуль; при этом крепеж включает фланец уплотнения внутренний, фланец уплотнения внешний, шпильку крепления, фланец установки, вставку диэлектрическую, трубку подачи и отвода газов, шайбу стопорную, трубу теплозащиты, фланец уплотнения внутренний, фланец уплотнения внешний, шайбу, гайку; при этом модуль подачи отвода газов состоит из трубки подачи водорода, трубки подачи кислорода, трубки подачи инертного газа, трубки отвода газовой смеси; при этом газовый модуль включает клапан подачи водорода, клапан подачи, клапан подачи инертного газа, клапаны сброса давления ручной и автоматический (не показаны); при этом топливный модуль должен быть изготовлен из бронзы медно-бериллиевой группы и оксида бериллия, внутренняя поверхность модуля должна быть защищена от высокотемпературною воздействия химической реакции водорода и кислорода; при этом электрический элемент нагрева (ТЭН), который находится во внутренней полости топливного модуля, должен быть изготовлен из сплава вольфрам-рений в виде массивной конструкции, поверхность высокотемпературного элемента накаливания (ТЭН) должна быть защищена слоем 0,005 мм пирографита, что обеспечит надежную защиту при температуре 2000°С.
Топливный модуль имеет принципиальное отличие от электрического ТЭНа в том, что высокотемпературный элемент накаливания находится во внутренней полости топливного модуля только, как источник энергии для активации процесса химической реакции водорода и кислорода в динамическом равновесии.
Таким образом, топливный модуль, по сути, является термохимическим нагревателем (ТХН), в котором, в отличие от ТЭНа, тепловую энергию будет вырабатывать химическая реакция водорода и кислорода.
Предлагаемое изобретение это технологическая конструкция в параметрах закрытой химической системы - есть цельная конструкция для непрерывного процесса химической реакции водорода и кислорода в динамическом равновесии.
Сущность технического решения поясняется рисунками.
На фиг. 1 представлен топливный модуль, общий вид спереди.
На фиг. 2 - то же, общий вид сбоку.
На фиг. 3 - то же, установленный в паровом котле, общий вид.
Позиции обозначают: корпус 1 котла; топливный модуль 2; цилиндр 3 камеры нагрева котла; фланец уплотнения внутренний 4; фланец уплотнения внешний 5: вилка соединения 6; трубка 7 подачи водорода; трубка 8 подачи кислорода; трубка 9 подачи инертного газа; трубка 10 отвода газовой смеси; модуль подачи отвода газов 11; крышка 12 камеры нагрева котла; дно 13 камеры нагрева котла; отвод 14; опора 15 котла: дат чик температуры 16; датчик давления 17; гайка уплотнения 18; вилка датчиков 19; датчик 20 температуры оболочки 21; шпилька крепления 22: фланец установки 23; вставка диэлектрическая 24; стойка спирали 25; датчик давления 26; трубка 27 подачи и отвода газов; шайба стопорная 28; груба теплозащиты 29; фланец уплотнения внутренний 30; фланец уплотнения внешний 31; элемент нагрева 32; тепловая трубка 33; датчик температуры 34; шайба 35; гайка 36 теплового модуля 2.
Топливный модуль 2 представляет собой систему с оболочкой 21 в виде шара, внутри которой установлен электрический элемент нагрева 32 (ТЭН), закрепленный на стойке 25, датчик давления 26 и датчик температуры 34. Снаружи оболочки 21 расположены тепловые трубки 33. Сам топливный модуль 2 имеет крепеж для его крепления в паровом котле 1, включающий фланец уплотнения внутренний 4; фланец уплотнения внешний 5, шпильку крепления 22, фланец установки 23, вставку диэлектрическую 24, трубу теплозащиты 29, фланец уплотнения внутренний 30, фланец уплотнения внешний 31, шайбу 35, гайку 36. Со стороны крепежа расположен модуль подачи отвода газов 11 с трубкой 7 подачи водорода, трубкой 8 подачи кислорода, трубкой 9 подачи инертного газа, трубкой 10 отвода газовой смеси; и газовый модуль, включающий клапаны подачи одного из компонентов горючей смеси, клапан подачи инертного газа, клапаны сброса давления ручной и автоматический (не показаны) и систему крепежа кабелей высокого напряжения (не показаны). Внутри теплового модуля 2 вдоль вертикальной оси установлены трубка 27 подачи и отвода газов, шайба стопорная 28, труба теплозащиты 29. В оболочке 21 топливного модуля 2 установлен датчик 20 температуры. На фиг. 3 показан паровой котел с установленным внутри его топливным элементом 2. Паровой котел представляет собой корпус 1, с камерой нагрева котла в форме цилиндра 3 и дном 13, в котором установлен отвод 14. Камера нагрева 3 закрыта сверху крышкой 12, в которой имеется отвод 14. Паровой котел установлен на опоре 15. В стенке камеры нагрева 3 установлен датчик температуры 16 и датчик давления 17 с вилкой датчиков 19, закрепленные посредством гайка уплотнения 18.
Сам электрический элемент нагрева 32 (ТЭН), который находится во внутренней полости топливного модуля, может быть изготовлен из сплава вольфрам-рений в виде массивной конструкции. Большая масса ТЭНа, кроме источника энергии активации, осуществляет две технологические функции.
Масса ТЭНа будет аккумулировать тепловую энергию.
ТЭН как массивная конструкция уменьшит внутренний объем ТМ.
В целом конструкция топливного модуля является нагревающим элементом парового котла.
Топливный модуль должен быть изготовлен из бронзы медно-бериллиевой группы и оксида бериллия. Металлы, которые могут обеспечить, с одной стороны, необходимую высокую теплопроводность, сравнимую с медью, с другой стороны, способность противостоять ползучести и усталости, при повышенной износостойкости, высокую устойчивость к коррозии, твердость и показатель временного сопротивления.
Для улучшения свойств бериллиевые бронзы могут быть дополнительно легированы небольшими добавками кобальта, никеля, титана, магния, бора, а также редкоземельными металлами. Внутренняя поверхность модуля должна быть защищена от высокотемпературного воздействия химической реакции водорода и кислорода. Поверхность высокотемпературного элемента накаливания (ТЭН) защищена слоем 0,005 мм пирографита, что обеспечит надежную защиту при температуре 2000°С. Рабочее положение топливного модуля - в нижней части парового котла, полностью в воде. Внутренняя полость ТМ заполняется, горючей смесью водорода и кислорода, и инертным газом. Горючая смесь водорода и кислорода, не эквивалентного состава, кислорода не более 4%. По опытным данным, уменьшение кислорода в горючей смеси понижает вероятность цепного воспламенения. В свою очередь, не эквивалентное соотношение горючей смеси водорода и кислорода уменьшает скорость химической реакции по закону действующих масс. Закон действующих масс: «скорость химической реакции прямо пропорционально произведению концентраций реагирующих веществ». Определяющее значение для данного изобретения является состав горючей смеси. Предложенный вариант является максимальным по составу компонентов горючей смеси, для топливного модуля. Данный вариант с добавлением инертного газа рассматривается, как вариант с большим, возможным, рабочим потенциалом топливного модуля. Само изобретение топливного модуля предусматривает применение, в качестве топлива, чистые водород и кислород. Внутренняя и внешняя поверхность ТМ должна быть рельефной. Сложный рельеф внутренней поверхности нужен для того, чтобы увеличить площадь соприкосновения продуктов и компонентов химической реакции (гибель цепей на стенках сосуда). Сложный рельеф внешней поверхности нужен для увеличения площади теплоотвода по принципу радиатора.
Таким образом, предлагаемая конструкция топливного модуля позволит запустить во внутренней полости топливного модуля управляемый процесс химической реакции водорода и кислорода в динамическом равновесии.
Устройство работает следующим образом.
Изобретение обеспечит непрерывный нагрев воды парового котла за счет химической реакции водорода и кислорода во внутренней полости топливного модуля (изохорный процесс).
Непрерывный процесс химической реакции, в динамическом равновесии, обеспечит термоэлектрический нагреватель.
Запуск системы топливный модуль - паровой котел. Топливный модуль находится в рабочем положении, полностью в воде. Внутренний объем топливного модуля заполняется чистым водородом. Высокотемпературный элемент накаливания (ТЭН), при помощи электрического напряжения, постепенно разогревается до рабочей температуры 1500-1600°С, возможно кратковременно, и до 2000°С, при этом во внутренней полости ТМ должно повысится давление примерно до 6 атмосфер.
На следующем этапе необходимо снизить давление, при помощи клапана сброса давления, примерно на 50% что, по сути, уменьшит объем газа по отношению к объему внутренней полости ТМ в два раза.
В этом положении ТМ готов для дозированной подачи кислорода и началу медленной, управляемой химической реакции.
Для улучшения управляемости химической реакции, и для исключения возможного цепного воспламенения, в реакционную смесь может быть добавлен определенный процент инертного газа.
Начало химической реакции должен зафиксировать датчик температуры оболочки ТМ. С началом химической реакции в полости ТМ начнет повышаться температура и давление, и на определенном соотношении горючей смеси водорода и кислорода, при данной температуре, установится динамическое равновесие.
С этого момента до выхода парового котла на рабочий режим система топливный модуль - паровой котел выйдет в прямую зависимость по температуре и давлению. При нарастании температуры и давления в паровом котле начнет повышаться температура и давление в топливном модуле. На этом этапе необходимо удерживать температуру химической реакции на уровне температуры ТЭНа. При увеличении расхода пара будет понижаться температура в ТМ. Для удержания рабочей температуры в ТМ необходимо увеличивать скорость реакции с помощью увеличения концентрации одного из компонентов химической реакции и повышением давления, которое компенсирует малую концентрацию горючей смеси по отношению к объему внутренней полости ТМ. Повышение скорости химической реакции возможно без повышения температуры в полости ТМ, до достижения порога коэффициента теплопроводности ТМ и выхода парового котла в рабочий режим. В случае если с увеличением горючей смеси в ТМ тепловая энергия превысит необходимый предел, то в горючую смесь необходимо будет добавить инертный газ, а клапан автоматического сброса давления должен будет установлен на значении, близком к максимальному значению в этих параметрах ТМ.
После выхода системы ТМ - паровой котел в определенный рабочий режим, подача высокого напряжения на ТЭН может быть, снижена значительно.
Высокий температурный режим парового котла современных ТЭС (температура воды 500°С и давление 200 атмосфер) обусловлен исключительно повышением КПД ТЭЦ, работающих на углеводородном топливе. Для топливного модуля такая проблема отсутствует, а это означает, что ТМ может работать в более мягком температурном режиме от 300 гр.С в паровом котле, что не повлияет на КПД системы топливный модуль - паровой котел.