Способ получения низкотемпературного газа в газогенераторе
METHOD FOR PRODUCING LOW-TEMPERATURE GAS IN A GAS GENERATOR

Изобретение относится к прикладной химии, а именно к способу получения низкотемпературного газа в газогенераторе на твердом газогенерирующем веществе.
Указанные газогенераторы, являясь автономными, малогабаритными, быстродействующими, с длительными сроками и широким температурным диапазоном хранения и эксплуатации источниками газа с низкой температурой, предназначены для наддува оболочек аварийного и специального подъема разных объектов из глубин акваторий, для коррекции движения ракет с помощью вдува струи газа из газогенератора в сопловой части ракетного двигателя, для охлаждения выделяемыми газами носового обтекателя головной части ракеты, движущейся в атмосфере с гиперзвуковой скоростью, для вытеснения по определенному режиму жидких горючих из баков и подачи их в двигатель жидкостных ракет и во многих других областях.
Для использования в данных применениях требуются твердотопливные газогенераторы, имеющие не только низкую температуру генерируемых газов, но и позволяющие в процессе работы изменять расход газа в широких пределах (в разы и до десятков раз) и проводить неоднократные остановки и запуски.
К настоящему времени разработан ряд способов получения низкотемпературного газа в газогенераторах, основанных на самоподдерживающемся фильтрационном горении пористых газопроницаемых зарядов из газогенерирующих твердых топлив (патенты РФ №2108282, опубл. 10.04.1998, №2250800, опубл. 27.04.2005, №2435638, опубл. 10.12.2011). Перечисленные технические решения обладают следующими недостатками: позволяют получать с температурой близкой к нормальной только один инертный газ - азот, при этом требуют использование в качестве основного компонента азида натрия, являющегося дорогостоящим, дефицитным и токсичным веществом. Кроме того, запатентованные способы не позволяют в процессе работы изменять расход газа в широких пределах и проводить неоднократные остановки и запуски реализующих их газогенераторов. Указанные недостатки снижают эксплуатационные возможности известных способов, сужают диапазон областей их применения и номенклатуру устройств, в которых они могут быть использованы.
Из уровня техники известен также основанный на самоподдерживающемся фильтрационном горении пористых газопроницаемых зарядов из газогенерирующих твердых топлив и принятый за прототип способ получения низкотемпературного газа в газогенераторе по патенту РФ №2507149 (опубл. 20.02.2014), включающий процесс выделения горячего газа из пористого газопроницаемого газогенерирующего элемента, выполненного из твердого газогенерирующего вещества, пропускание выделенного газа через тело газогенерирующего элемента в направлении распространения зоны процесса, обеспечивающего выделение горячего газа, путем организации перепада давления между этой зоной и выходным отверстием газогенератора, охлаждение газа за счет теплообмена с твердым газогенерирующим веществом, задержание фильтром конденсированных продуктов.
Известный способ, по сравнению с аналогами, позволяет исключить использование в качестве основного компонента азида натрия и обеспечивает получение смеси холодных (с температурой близкой к нормальной) инертных газов (азота, диоксида углерода и парообразной воды).
При всех достоинствах способ по прототипу не позволяет в процессе работы воплощающего его газогенератора изменять расход газа в широких пределах и проводить неоднократные остановки и запуски газогенератора.
Недостатки известного способа исключают разработку многих устройств, для функционирования которых требуются газогенераторы с наличием указанных качеств, что снижает эксплуатационные возможности способа, сужает диапазон областей его применения и номенклатуру устройств, в которых он может быть использован.
Техническая проблема заключается в необходимости создания обладающего повышенными эксплуатационными возможностями, расширенными диапазоном областей применения и номенклатурой устройств, в которых он может быть использован, способа получения низкотемпературного газа в газогенераторе, позволяющего в процессе работы газогенератора регулировать расход газа в широких пределах и проводить неоднократные остановки и запуски газогенератора.
Технический результат - обеспечение возможности регулирования вплоть до прекращения процесса выделения горячего газа из пористого газопроницаемого газогенерирующего элемента по требуемому режиму.
Техническая проблема решается способом получения низкотемпературного газа в газогенераторе, включающим процесс выделения горячего газа из пористого газопроницаемого газогенерирующего элемента, выполненного из твердого газогенерирующего вещества, пропускание выделенного газа через тело газогенерирующего элемента в направлении распространения зоны процесса, обеспечивающего выделение горячего газа, путем организации перепада давления между этой зоной и выходным отверстием газогенератора, охлаждение газа за счет теплообмена с твердым газогенерирующим веществом, задержание фильтром конденсированных продуктов. Особенность заключается в том, что в качестве процесса, обеспечивающего выделение горячего газа, используют управляемое термическое разложение твердого газогенерирующего вещества, неспособного к самостоятельному горению, под воздействием тепловыделения от электрических нагревательных элементов, размещенных в газогенерирующем элементе, при этом управление расходом газа, фиксируемым датчиком, установленным на выходе из газогенератора, осуществляют путем управления термическим разложением твердого газогенерирующего вещества, основанным на регулировании мощности, подаваемой от источника электроэнергии к нагревательным элементам, или на регулировании числа задействованных нагревательных элементов.
В уровне техники отсутствует способ получения низкотемпературного газа в газогенераторе, в котором бы имело место предложенное сочетание существенных признаков, но именно такое сочетание обусловило решение существующей технической проблемы.
Предлагаемый способ получения низкотемпературного газа в газогенераторе иллюстрируется принципиальной схемой работы газогенератора (Фиг. ).
В корпусе 1 газогенератора (ГГ) размещают газогенерирующий элемент (ГГЭ) 2, нагревательные элементы 3 и фильтр 4 (перед выходным отверстием из ГГ). Нагревательные элементы 3 размещают равномерно по объему ГГЭ 2 и соединяют электроцепями 5 с устройством автоматического управления (УАУ) 6. В газоотводящем штуцере 7 газогенератора устанавливают датчик расхода газа 8 и соединяют его электроцепью 9 с УАУ 6. Устройство автоматического управления 6 связывают электроцепью 10 с источником электроэнергии 11, а электроцепью 12 (или иным способом) с внешним управляющим устройством (ВУУ) - условно не показано.
При подаче сигнала с ВУУ на включение газогенератора через электроцепь 12 на устройство автоматического управления 6, данное устройство включает подачу электроэнергии от источника электроэнергии 11 к одному или нескольким нагревательным элементам 3. Выделяемое нагревательными элементами 3 тепло нагревает прилегающий к ним слой твердого газогенерирующего вещества (ТГВ) газогенерирующего элемента 2, образуя зону 13 реакции разложения, в которой при достижении температуры на уровне 500-700 К (в зависимости от компонентного состава ТГВ), начинается реакция его термического разложения с образованием газа.
В процессе работы ГГ фронт 14 зоны 13 реакции разложения распространяется по телу газогенерирующего элемента 2 в направлениях 15.
Выделенный в зоне 13 реакции разложения ТГВ горячий газ за счет перепада давления между указанной зоной и выходным отверстием ГГ, ведущим к газоотводящему штуцеру 7, фильтруется через пористый, газопроницаемый материал твердого газогенерирующего вещества ГГЭ 2 и фильтр 4 в направлениях 16 к газоотводящему штуцеру 7.
Проходя через газогенерирующий элемент 2, газ охлаждается за счет расширения и теплопередачи в материал ГГЭ 2. Одновременно газ подогревает материал ГГЭ 2 перед фронтом 14 зоны 13 реакции разложения в направлении движения, уменьшая тем самым количество требуемого для передачи от нагревательных элементов 3 тепла для разложения последующий слоев материала газогенерирующего вещества ГГЭ 2.
Проходя через фильтр 4, газ очищается от примесей частиц ТГВ и конденсированных продуктов его разложения, дополнительно охлаждается за счет расширения и теплопередачи в материал фильтра 4, проходит в газоотводящий штуцер 7 и поступает к потребителю.
Датчик расхода газа 8 фиксирует расход газа и передает данные по электроцепи 9 на устройство автоматического управления 6. При отклонении расхода газа от заданного значения УАУ 6 автоматически изменяет (увеличивает или уменьшает) подачу электроэнергии от источника электроэнергии 11 к нагревательным элементам 3 или подключает (или отключает) часть нагревательных элементов 3, соответственно, увеличивается или уменьшается тепловыделение от нагревательных элементов 3 и газовыделение из ТГВ в зоне 13 реакции и, таким образом, изменяется расход газа по требуемому режиму.
При необходимости выключения ГГ по сигналу от внешнего управляющего устройства ВУУ, устройство автоматического управления 6 отключает подачу электроэнергии на все нагревательные элементы 3. Благодаря тому, что твердое газогенерирующее вещество не способно к самостоятельному горению, после отключения нагревательных элементов 3 и прекращения ими тепловыделения, прекращается реакция разложения ТГВ и, соответственно, выделение газа.
При необходимости повторного включения газогенератора по сигналу от внешнего управляющего устройства, процесс его запуска проходит по описанной выше схеме.
Для осуществления заявляемого способа газогенерирующий элемент 2 изготавливают из неспособного к самостоятельному горению, твердого газогенерирующего вещества (ТГВ), выделяющего при нагревании до 500-700 К индивидуальный газ или смесь газов, например, в виде пористого, газопроницаемого тела или в виде мелкодисперсных гранул.
Фильтр 4 изготавливают в виде прочного моноблока с газопроницаемостью равной или превышающей этот показатель газогенерирующего элемента 2, например в соответствии с патентом РФ №2584206, принадлежащим заявителю настоящей заявки.
Устройство автоматического управления 6 изготавливают как устройство, способное автоматически включать, выключать и изменять по заранее заданному или задаваемому во время работы газогенератора от внешнего управляющего устройства (ВУУ) режиму подачу электроэнергии от источника электроэнергии 11 к одному или нескольким из нагревательных элементов 3 и, таким образом, изменять тепловыделение от них и осуществлять управление газовыделением из газогенерирующего элемента 2 и расходом газа из газогенератора.
Для иллюстрации осуществимости заявляемого способа в Таблице приведены характеристики работы газогенераторов при использовании разных типов твердых газогенерирующих веществ (ТГВ): тип №1 - на основе нитрата аммония, оксалата аммония и силиката натрия; тип №2 - на основе нитрата гуанидина, оксалата аммония, динитрамида аммония и силиката натрия. Выбор компонентов для твердых газогенерирующих веществ не ограничивается приведенными в Таблице примерами. В качестве таковых могут быть использованы (с не меньшей эффективностью) и другие ТГВ, не способные к самостоятельному горению.
-10
2
Использованные в экспериментах газогенерирующие элементы имели коэффициент газопроницаемости - на уровне (0,5-4)⋅10 м. Масса газогенерирующих элементов в опытах составляла 1 кг. Эти показатели справедливы как для ГГЭ в виде твердого тела, так и для ГГЭ в виде мелкодисперсных гранул.
В ГГЭ равномерно по объему устанавливали 2 нагревательных элемента мощностью по 0,6 кВт. В качестве источника энергии использованы 3 соединенные последовательно малогабаритных аккумулятора марки LFP72-6-30Р6 (емкость 6 А⋅ч, напряжение 72 В). В некоторых экспериментах использовали 4 нагревательных элемента, равномерно распределенных по объему ГГЭ мощностью по 0,6 кВт. При этом количество вышеуказанных аккумуляторов увеличивали вдвое. Количество задействованных элементов выбирают в зависимости от теплоты разложения конкретного состава ТГВ, используемого при осуществлении заявляемого способа, и требуемых режимов газовыделения.
Устройство автоматического управления УАУ, состоящее из электронного процессора и устройства автоматического регулирования подачи электроэнергии от источника электроэнергии к нагревательным элементам, изготовлено из выпускаемых промышленностью элементов. Для измерения расхода газа в газогенераторе использован датчик расхода воздуха F1031-В-А-50 с пределами измерений 1-50 л/мин.
Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ, хотя и совпадает с прототипом по ряду действий и достигаемому с его помощью уровню основных показателей газогенератора, но существенно отличается от него возможностью управления процессом работы газогенератора, а именно, возможностью неоднократного изменения расхода газа в несколько раз и выключения и повторного включения газогенератора в процессе его работы. Прототип и аналоги не позволяют проводить такие операции.
Воплощение заявляемого способа предполагает применение используемых в настоящее время в технике оборудования и материалов.
Заявляемый способ экспериментально апробирован при испытаниях модельных газогенераторов на основе различных ТГВ, результаты которых подтвердили его практическую осуществимость.
Предлагаемое техническое решение является актуальным, позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении обозначенной технической проблемы.