МОДУЛЬ ОТВЕДЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
MODULE OF REMOVAL AND DISTRIBUTION OF HEAT ENERGY OF POWER PLANT ON SOLID OXIDE FUEL CELLS

Изобретение относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначено для отведения отработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки и управления тепловой энергией, вырабатываемой энергоустановкой в процессе реализации химических реакций.
Известно устройство для теплоотвода, которое содержит оборудование с источником тепла, работающим в максимальном тепловом режиме, холодную часть и элемент для передачи тепла от оборудования к холодной части. Указанное оборудование и холодная часть разделены газовым зазором. Элемент для передачи тепла содержит, по меньшей мере, одну тепловую трубу, проходящую через зазор и контактирующую одним концом с оборудованием, а другим концом - с холодной пластиной, причем элемент для передачи тепла выполнен с возможностью ограничения тепла, передаваемого к холодной части при тепловых значениях, превышающих определенное пороговое значение, меньшее максимального значения упомянутого режима [RU 2465531, МПК F28F 13/00, дата публикации заявки 27.08.2010].
Недостатком известного технического решения является неавтономность от внешних источников электроэнергии, система обеспечивает только систему отвода тепловой энергии. Наряду с этим, в тепловых трубах рабочая среда находится в герметичном замкнутом контуре, и применение такой технологии в автономном энергетическом устройстве невозможно из-за сложности конструктивной интеграции оборудования и существенного снижения безопасности всей системы в этом случае.
Также известно техническое решение «Энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов» (RU 2391749 C1, МПК Н01М 8/12, B64D 41/00, дата публикации 10.06.2010). Согласно изобретению энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов содержит систему подачи окислителя энергетической установки, включающую компрессор для сжатия атмосферного воздуха, использующую в качестве окислителя кислород воздуха. На одном валу с компрессором установлена выходная турбина, соединенная с химическим реактором трубопроводом для отвода газа от химического реактора, и дополнительная турбина, на валу которой установлен электрогенератор для выработки дополнительного электрического тока. Рабочая температура составляет 900-1000°C.
Недостаток данного технического решения заключается в невозможности автономного старта при разогреве топливных элементов и их автономной работы в установленных режимах, при этом не описано, каким образом достигается рабочая температура. Также в качестве топлива используется авиационный керосин, что является недостатком и исключает возможность использования данного решения в распределенной стационарной энергетике для транспорта газа. Еще одним существенным недостатком данного технического решения является зависимость от внешних источников электроэнергии при пусках.
В качестве прототипа был выбран электрохимический генератор с твердым электролитом, который содержит заключенные в корпус с теплоизолирующими стенками и трубками для подвода и отвода газа рабочую камеру с батареей топливных элементов, камеру сгорания, конвертор природного газа, каналы для подачи и отвода топлива и газов, при этом конвертор природного газа установлен в рабочей камере, генератор содержит теплообменник, смонтированный в теплоизолирующих стенках, при этом канал для подачи газа-окислителя в рабочую камеру образован пространством между камерой сгорания и рабочей камерой и соединен с каналом для подачи воздуха в теплообменник, каналы для отходящих газов которого соединены с камерой сгорания. [RU 2538095, МПК Н01М 8/10, Н01М 4/88, дата публикации 10.01.2015].
Недостатком устройства по прототипу является использование теплообменника ламельного типа, поскольку при длительной эксплуатации при высоких температурах возможно протекание и как результат смешение теплоносителя и рабочего тела, что приведет к выходу установки из строя. Кроме того, использование теплообменника ламельного типа не позволяет достичь необходимых показателей КПД. Также недостатком прототипа является то, что используется один теплообменник, что ограничивает возможность подачи нагретого воздуха в несколько элементов энергоустановки и снижает КПД устройства и установки в целом.
Технической задачей является создание модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах с более высоким КПД при одновременном повышении надежности.
Технический результат - повышение КПД модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах при одновременном повышении надежности.
Сущность заявляемого устройства заключается в следующем.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах содержит расположенный в теплоизолированном корпусе теплообменник. Теплоизолированный корпус снабжен входом для продуктов реакции из горелки и выходом для выхлопных газов. В отличие от прототипа, модуль содержит второй теплообменник, расположенный в теплоизолированном корпусе последовательно первому теплообменнику и соединенный с ним посредством трубопровода. При этом теплоизолированный корпус снабжен двумя входами для подачи воздуха и двумя выходами для нагретого воздуха, вход для продуктов реакции горелки посредством трубопровода сообщен с первым теплообменником, а выход для выхлопных газов посредством трубопровода сообщен со вторым теплообменником. Первый вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через первый теплообменник с первым выходом для нагретого воздуха, а второй вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через второй теплообменник со вторым выходом для нагретого воздуха. Первый выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с катодным каналом топливной батареи, а второй выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с эжектором. Каждый теплообменник выполнен в виде трубчатого теплообменника. При этом трубы внутри теплообменника расположены равномерно, диаметр труб составляет от 0,3 до 1 см.
Технический результат достигается за счет увеличения количества электрической энергии на выходе путем использования двух теплообменников, при этом нагретый воздух из первого теплообменника подается в катодный канал топливной батареи одновременно с подачей нагретого воздуха из второго теплообменника в эжектор и за счет увеличения интенсивности теплопередачи путем выполнения труб теплообменника с диаметром от 0,3 до 1 см.
Предпочтительно, горелка может быть выполнена в виде каталитической горелки, которая обеспечивает высокую температуру продуктов реакции, подаваемых на вход, и полное окисление смесей газов с малым количеством горючих компонентов. Это обеспечивает повышение КПД заявляемого модуля.
Второй теплообменник может быть расположен выше первого теплообменника с возможностью направления потока продуктов реакции из горелки вверх, что позволяет уменьшить сопротивление движения продуктов реакции горелки от входа для продуктов реакции из горелки до выхода для выхлопных газов. Это обеспечивает дополнительное повышение КПД заявляемого модуля за счет повышения количества выхода электрической энергии.
Выполнение первого выхода для нагретого воздуха с возможностью присоединения к катодному каналу топливной батареи, а второго выхода для нагретого воздуха с возможностью присоединения к эжектору позволяет повысить КПД за счет одновременного нагрева воздуха для подачи в эжектор и катодный канал топливной батареи.
Количество труб и их длину в первом и втором теплообменниках определяют расчетным путем в зависимости от мощности энергоустановки, к которой подключают заявляемый модуль, а также требуемой тепловой энергии для катодного канала топливной батареи и эжектора.
Выполнение труб теплообменника с диаметром от 0,3 до 1 см дает возможность обтекания теплоносителем труб по всей их внутренней поверхности, что позволяет исключить возникновение слепых зон с другой стороны трубы от входа потока. В результате увеличивается интенсивность теплопередачи и, как следствие, повышение КПД и надежности заявляемого модуля.
Выполнение труб теплообменника диаметром меньше чем 0,3 см способствует увеличению сопротивления движению потока воздуха по трубам теплообменника при распределении потока посредством прохождения через трубную доску, что может провоцировать запирание труб вихревым потоком и, как следствие, их прогорание из-за локальных перегревов, что снижает надежность и КПД.
При выполнении труб теплообменника диаметром больше чем 1 см снижается эффективность теплопередачи и увеличивается количество неиспользованной тепловой энергии, что снижает КПД заявляемого модуля.
Количество труб теплообменника определяется в зависимости от требуемой мощности теплообменников, предпочтительно от 30 до 250.
Выход для выхлопных газов может быть выполнен с возможностью присоединения к радиатору. Радиатор предназначен для отопления окружающей среды, что позволяет повысить выход тепловой энергии, а следовательно, и КПД модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах.
На каждом участке трубопровода, обеспечивающего сообщение составных элементов заявляемого модуля, могут быть расположены термопары, осуществляющие измерение температуры воздуха, а на участках трубопровода между первым и вторым теплообменниками, между выходом для выхлопных газов и радиатором, на участке трубопровода, соединяющего первый выход для нагретого воздуха с эжектором или с катодным каналом топливной батареи, и на участке трубопровода, соединяющего второй выход для нагретого воздуха с эжектором или катодным каналом топливной батареи, расположены датчики измерения давления.
Повышение КПД заявляемого модуля способствует повышению КПД энергоустановки на твердооксидных топливных элементах в целом.
Наличие отличительных существенных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Выполнение модуля с использованием двух теплообменников, выполненных в виде трубчатых теплообменников, сообщенных с двумя выходами для нагретого воздуха, выполненных с возможностью соединения с эжектором и катодным каналом топливной батареи, и выполнение труб теплообменника с маленьким диаметром позволяет достичь синергетического эффекта по повышению КПД модуля за счет повышения количества выхода электрической энергии модуля.
Заявляемое изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемое устройство поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - принципиальная схема модуля отведения и распределения тепловой энергии.
Фиг. 2 - модуль отведения и распределения тепловой энергии (изометрия).
Фиг. 3 - теплообменник (общий вид без верхнего основания корпуса).
Фиг. 4 - теплообменник (разрез А-А).
Таблица 1 - данные по обоснованию достижения синергетического эффекта.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах содержит последовательно расположенные в теплоизолированном корпусе 1 и соединенные между собой трубопроводом 2 первый теплообменник TO1 и второй теплообменник ТO2. Теплоизолированный корпус 1 снабжен входом для продуктов реакции из каталитической горелки 3, сообщенным с первым теплообменником TO1 посредством участка трубопровода А, выходом для выхлопных газов 4, сообщенным со вторым теплообменником ТO2 посредством участка трубопровода Ж, двумя входами для подачи воздуха 5 и 6 и двумя выходами для нагретого воздуха 7 и 8. Первый вход для подачи воздуха 5 сообщен посредством участков трубопровода Б и Г через первый теплообменник TO1 с первым выходом для нагретого воздуха 7, а второй вход для подачи воздуха 6 сообщен посредством участков трубопровода В и Д через второй теплообменник ТO2 со вторым выходом для нагретого воздуха 8. Второй теплообменник ТO2 расположен выше первого теплообменника TO1 с возможностью направления потока продуктов реакции из каталитической горелки (не показано на чертежах) вверх.
На участке трубопровода А, между входом для продуктов реакции из горелки и первым теплообменником TO1, расположена первая термопара Т1. На участке трубопровода Б, между первым входом для подачи воздуха 5 и первым теплообменником TO1, расположена вторая термопара Т2. На участке трубопровода В, между вторым входом для подачи воздуха 6 и вторым теплообменником ТO2, расположена третья термопара Т3. На участке трубопровода Е, между первым теплообменником TO1 и вторым теплообменником ТO2, расположена четвертая термопара Т4 и датчик давления Д1. На участке трубопровода Ж, между вторым теплообменником ТO2 и выходом для выхлопных газов 4, расположена пятая термопара Т5. На участке трубопровода З, между выходом для выхлопных газов 4 и радиатором РУ, расположен датчик давления Д2. На участке трубопровода Г, соединяющем первый выход для нагретого воздуха 7 с катодным каналом топливной батареи расположена термопара Т6 и датчик давления Д3. На участке трубопровода Д, соединяющем второй выход для нагретого воздуха 8 с эжектором, расположена термопара Т7 и датчик давления Д4.
Теплообменники TO1 и ТO2 выполнены в виде трубчатых теплообменников с диаметром труб D и количеством труб K, расположенных равномерно в шахматном порядке внутри корпуса. Каждый из теплообменников состоит из герметичного корпуса 9, снабженного патрубком для подвода теплоносителя 12 и патрубком для подвода нагреваемого агента 14, патрубком для отвода теплоносителя 13 и патрубком для отвода нагретого агента 15. Внутри корпуса закреплены две параллельно расположенные трубные доски 16, выполненные перфорированными, в соответствующих противоположных отверстиях которых (не показано на чертежах) между досками закреплены трубы 17, расположенные равномерно. Трубные доски 16 расположены перпендикулярно дну и образуют вместе с корпусом 9 камеру разбиения теплоносителя 10 и камеру смешения теплоносителя 11 соответственно. Камера разбиения теплоносителя 10 сообщена с патрубком для подвода теплоносителя 12, а камера смешения теплоносителя 11 сообщена с патрубком для отвода теплоносителя 13. При этом теплообменники TO1 и TO2 могут быть выполнены любым известным образом.
Выход для выхлопных газов 4 соединен с радиатором РУ.
Теплообменники TO1 и ТO2, а также все соединительные элементы (трубопроводы, крепления, посты для термопар) могут быть изготовлены из материала с термостойкостью до 960°C.
Трубы 17 теплообменников TO1 и ТO2 расположены равномерно на расстоянии 1 см друг от друга.
Трубопровод 2 и радиатор РУ могут быть изготовлены из материала термостойкостью до 400°C.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных установках работает следующим образом.
Продукты реакции из каталитической горелки через вход для продуктов реакции из каталитической горелки 3 по участку трубопровода А (термопара Т1 производит измерение температуры) поступают в камеру разбиения 10 теплообменника TO1 и через трубную доску 16 теплообменника TO1 равномерно распределяются по трубам 17 теплообменника ТО1.
Также по участку трубопровода Б через первый вход для подачи воздуха 5 подается воздух в теплообменник TO1 (измерение температуры поступающего воздуха происходит при помощи термопары Т2), а по участку трубопровода В через второй вход для подачи воздуха 6 подается воздух в теплообменник ТO2, измерение температуры этого поступающего воздуха происходит при помощи термопары Т3. После осуществления процесса теплообмена внутри корпуса теплообменника TO1 теплоноситель поступает через трубную доску 16 теплообменника TO1 в камеру смешения теплоносителя 11 теплообменника TO1 и через патрубок для отвода теплоносителя 13 поступает в трубопровод. По участку трубопровода Г (используя термопару Т6 и датчик давления Д3 для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно), нагретый воздух от теплообменника TO1 через первый выход для нагретого воздуха 7 подается в катодный канал топливной батареи.
Продукты реакции из каталитической горелки 3 после осуществления процесса теплообмена в теплообменнике TO1 по участку трубопровода Ε (термопара Т4 и датчик давления Д1 используются для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно) через патрубок для подвода теплоносителя 12 теплообменника TO2 подаются в камеру разбиения теплоносителя 10 теплообменника ТO2 и через трубную доску 16 теплообменника ТO2 равномерно распределяются по трубам 17 теплообменника ТO2. После осуществления процесса теплообмена внутри корпуса теплообменника ТO2 теплоноситель поступает через трубную доску 16 теплообменника ТO2 в камеру смешения теплоносителя 11 теплообменника ТO2 и через патрубок для отвода теплоносителя 13 теплообменника ТO2 поступает в трубопровод. По участку трубопровода Д нагретый воздух из теплообменника ТO2 через второй выход для нагретого воздуха 8 подается в эжектор (термопара Т7 и датчик давления Д4 используются для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно) для смешения с топливным природным газом.
После прохождения теплообменников TO1 и ТO2 продукты реакции из каталитической горелки находятся в температурном диапазоне 250-300°C и по участку трубопровода Ж через выход для выхлопных газов 4 направляются по участку трубопровода З в радиатор РУ.
Для подтверждения достижения технического результата были изготовлены опытные образцы.
Примеры конкретных значений КПД в зависимости от каждого существенного признака в сравнении с устройством по прототипу представлены в Таблице 1.
В результате сравнения полученных значений КПД заявляемого модуля, представленных в Таблице 1, можно сделать вывод о том, что наибольший КПД достигается при использовании труб теплообменника диаметром от 0,3 до 1 см
Пример 1. Устройство по прототипу.
Пример 2. Устройство по примеру 2 содержит расположенный в теплоизолированном корпусе теплообменник. Теплоизолированный корпус снабжен входом для продуктов реакции из горелки и выходом для выхлопных газов. Дополнительно содержит второй теплообменник, расположенный в теплоизолированном корпусе последовательно первому теплообменнику и соединенный с ним посредством трубопровода. При этом теплоизолированный корпус снабжен двумя входами для подачи воздуха и двумя выходами для нагретого воздуха, вход для продуктов реакции горелки посредством трубопровода сообщен с первым теплообменником, а выход для выхлопных газов посредством трубопровода сообщен со вторым теплообменником. Первый вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через первый теплообменник с первым выходом для нагретого воздуха, а второй вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через второй теплообменник со вторым выходом для нагретого воздуха. Первый выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с катодным каналом топливной батареи, а второй выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с эжектором. Каждый теплообменник выполнен в виде теплообменника ламельного типа.
Пример 3. Устройство по примеру 3 схоже с устройством по примеру 2 с отличием в том, что каждый теплообменник выполнен в виде трубчатого теплообменника с трубами диаметром от 0,3 до 1 см.
В результате сопоставления значений КПД при использовании в заявляемом модуле каждого существенного признака по отдельности относительно значения КПД у прототипа можно сделать вывод, что максимального значения КПД можно достичь при сочетании всех существенных признаков, что дает синергетический эффект.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет достичь технического результата по повышению КПД и увеличению надежности модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах при одновременном повышении надежности.