БИОГАЗОВЫЙ БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР С ТЕПЛОВОЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ РАБОЧЕГО ТЕЛА
BIOGAS BAR-GALVANIC ELECTRIC HEAT GENERATOR WITH HEAT REGENERATION OF WORKING FLUID

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для прямого преобразования тепла сжигаемого биогаза в электричество постоянного тока с утилизацией тепла отводимых продуктов сгорания на отопление и горячее водоснабжение автономных усадебных домов.
Известен барогальванический конвертор, содержащий ячейку, выполненную в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в поверхностном контакте с твердым электролитом, при этом ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, теплообменник-регенератор, конденсатор, насос, испаритель-перегреватель, при этом испаритель-перегреватель выполнен с возможностью его нагревания посредством источника тепла, а конденсатор выполнен с возможностью его охлаждения посредством источника холода, принят за прототип (Патент на изобретение №2084056 «Барогальванический конвертор (варианты) и насос, входящий в его состав», автор Белоусов И.Г., 1997, МПК Н01М 14/00, G01K 17/00).
Недостатком прототипа является то обстоятельство, что он не приспособлен и не может эффективно использовать в качестве источника тепла продукты горения сжигаемого биогаза и в качестве источника холода - циркулирующую жидкость-теплоноситель.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание конструкции барогальванического электротеплогенератора, эффективно использующего тепло сжигаемого биогаза.
Поставленная задача достигается тем, что биогазовый барогальванический электротеплогенератор с тепловой регенерацией рабочего тела, содержащий парожидкостный циркуляционный контур, включающий электрогенерирующую ячейку, выполненную в виде диэлектрического корпуса; твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления; электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом, при этом ячейка выполнена с возможностью ее нагрева посредством источника тепла; теплообменник-регенератор, конденсатор, насос, испаритель-перегреватель, при этом полость низкого давления ячейки связана с входом в конденсатор посредством первого тракта теплообменника-регенератора, а выход насоса связан с испарителем-перегревателем посредством второго тракта теплообменника-регенератора, при этом испаритель-перегреватель выполнен с возможностью его нагревания посредством источника тепла, а конденсатор выполнен с возможностью его охлаждения посредством источника холода, при этом выход из конденсатора связан с входом в насос, а выход испарителя-перегревателя связан с полостью высокого давления ячейки, при этом электротеплогенератор дополнительно содержит: цилиндрический корпус-кожух с ножками, перфорированным основанием и боковым запально-смотровым отверстием; коаксиально-цилиндрический тракт вертикального движения вверх продуктов сгорания с турболизатором потока газов; основную газовую горелку в форме трубчатого обруча с равномерным расположением отверстий в нем для выхода биогаза и основным подводящим трубопроводом биогаза с краном с ручным приводом; запальную горелку с подводящим трубопроводом биогаза; коаксиальный цилиндрический охладитель системы отопления с циркулирующим через него жидким теплоносителем с краном на входе с электроприводом и краном с ручным приводом на выходе, при этом конденсатор выполнен в форме коаксиального цилиндра, эквидистантно расположенного внутри охладителя; зонт с обтекателем; теплообменник контура горячего водоснабжения с вентилями с ручным приводом на входе и выходе, при этом теплообменник выполнен в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого приведена в плотный термический контакт с наружной цилиндрической поверхностью тракта движения продуктов сгорания в его конечной верхней части; узел автоматики безопасной работы по тяге и терморегулированию, содержащий магнитный газовый клапан, обеспечивающий полное прекращение подачи биогаза к основной и запальной горелкам при погасании пламени в последней; терморегулятор, обеспечивающий автоматическое регулирование температуры теплоносителя в охладителе, при этом узел автоматики соединен с подводящим трубопроводом биогаза с ручным вентилем, отводящими трубопроводами биогаза к запальной и основной горелкам, датчиком тяги, термопарами и электроприводом крана на входе в охладитель; дымоход и теплоизоляцию узлов, при этом электрогенерирующая ячейка выполнена в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого, ограничивающая полость высокого давления, приведена в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта движения продуктов сгорания в центральной его части, а электроды и электролит выполнены в виде цилиндров, разделенных на секции с диэлектрическими прокладками между ними, при этом электроды скоммутированы по электричеству через штырьковые гермовводы, пропущенные через диэлектрические прокладки; испаритель-перегреватель выполнен в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого приведена в плотный термический контакт с наружной поверхностью цилиндрического тракта движения продуктов сгорания в нижней его части, при этом испаритель-перегреватель и регенеративный теплообменник расположены под электрогенерирующей ячейкой.
На фиг.1 изображена конструкция электротеплогенератора в разрезе; на фиг.2 - то же, что на фиг.1, - сечение А-А; на фиг.3 то же, что на фиг.1, - сечение Б-Б; на фиг.4 - то же, что на фиг.1, - сечение В-В; на фиг.5 - диаграмма термодинамического цикла работы электротеплогенератора, зависимость температуры "Т" от энтропии "S" на фиг.6 - энергетические характеристики электротеплогенератора, зависимость напряжения на электродах ячейки и удельной мощности от плотности тока на электродах ячейки.
Барогальванический электротеплогенератор содержит (фиг.1): 1 - электротеплогенератор; 2 - электрогенерирующая ячейка; 3 - диэлектрический корпус; 4 - твердый электролит; 5 - полость высокого давления; 6 - полость низкого давления; 7 - электрод высокого давления; 8 - электрод низкого давления; 9 - теплообменник-регенератор; 10 - конденсатор; 11 - насос; 12 - испаритель перегреватель; 13 - первый тракт теплообменника-регенератора; 14 - второй тракт теплообменника-регенератора; 15 - цилиндрический корпус-кожух; 16 - ножки; 17 - перфорированное основание; 18 - боковое запально-смотровое отверстие с заслонкой; 19 - коаксиально-цилиндрический тракт вертикального движения верх продуктов сгорания; 20 - турболизатор потока газов; 21 - основная газовая горелка в форме замкнутого трубчатого обруча; 22 - равномерно расположенные отверстия в основной горелке; 23 - основной подводящий трубопровод биогаза к основной горелке; 24 - кран с ручным приводом на основном трубопроводе биогаза; 25 - запальная горелка; 26 - подводящий трубопровод биогаза к запальной горелке; 27 - коаксиальный цилиндрический охладитель конденсатора системы отопления; 28 - циркулирующий через охладитель жидкий теплоноситель; 29 - кран с электроприводом на трубопроводе теплоносителя на входе в охладитель; 30 - кран с ручным приводом на трубопроводе теплоносителя на выходе из охладителя; 31 - зонт; 32 - обтекатель; 33 - коаксиально-цилинрический теплообменник контура горячего водоснабжения; 34 - вентиль с ручным приводом на трубопроводе с подводимой холодной водой на входе в теплообменник контура горячего водоснабжения; 35 - вентиль с ручным приводом на трубопроводе с отводимой подогретой водой на выходе из теплообменника контура горячего водоснабжения; 36 - внутренняя цилиндрическая поверхность теплообменника контура горячего водоснабжения, приведенная в плотный термический контакт с наружной цилиндрической поверхностью тракта движения продуктов сгорания в его конечной верхней части; 37 - узел автоматики безопасной работы по тяге и терморегулированию; 38 - подводящий трубопровод биогаза к узлу автоматики; 39 - вентиль с ручным приводом на подводящем трубопроводе биогаза к узлу автоматики; 40 - термопара контроля температуры электрода низкого давления электрогенерирующей ячейки; 41 - термопара контроля температуры пара рабочего тела в испарителе-перегревателе; 42 - термопара контроля температуры конденсации пара рабочего тела в конденсаторе; 43 - датчик тяги; 44 - электропривод крана 29 на входе в охладитель 27; 45 - дымоход; 46 - теплоизоляция узлов; 47 - цилиндрическая стенка, ограничивающая полость высокого давления электрогенерирующей ячейки, приведенная в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта в центральной его части; 48 - внутренняя цилиндрическая стенка испарителя-перегревателя, приведенная в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта в нижней его части; 49 - секционный электрод электрода высокого давления 7; 50 - секционный электрод электрода низкого давления 8; 51 - секционный электролит твердого электролита 4; 52 - диэлектрические прокладки; 53 - штырьковые гермоводы; 54 - электрическая коммутация электродов; 55 - наружные клеммы электрогенерирующей ячейки для подключения к аккумуляторной батарее.
2
мах
конд
1
конд
исп
исп
мах
На диаграмме (фиг.5) изображено: (56-57) - процесс выработки электрической энергии в электрогенерирующей ячейке 2; (57-58) - процесс охлаждения пара йода низкого давления Р от Т до Т в первом тракте 13 теплообменника-регенератора 9; (58-59) - процесс конденсации йода в конденсаторе 10; (59-60) - процесс в насосе 11; (60-61) - процесс нагрева жидкого йода с давлением P от Т до Т во втором тракте 14 теплообменника-регенератора 9; (61-62) - процесс испарения жидкого йода в испарителе-перегревателе 12; (62-56) - процесс перегрева пара йода от Т до Т в испарителе-перегревателе 12. Цикл замкнут (Х=0 - линия жидкого йода; Х=1 -линия сухого пара йода; К - критическая точка).
Барогальванический электротеплогенератор 1 работает следующим образом.
Открывают кран 39. Биогаз по трубопроводу 38 через вентиль 39, блок автоматизации 37 и трубопровод 26 поступает к запальной горелке 25, которую поджигают через боковое запально-смотровое отверстие с заслонкой 18.
1
2
1
2
Открывают ручной вентиль 24 и зажигается основная газовая горелка в форме замкнутого трубчатого обруча 21. Продукты сгорания биогаза в коаксиально-цилиндрическом тракте вертикального движения вверх продуктов сгорания 19 интенсивно перемешиваются с помощью турбулизатора потока газов 20 и через стенку 47 нагревают электрогенерирующую ячейку 2 до температуры 300°С. В ячейке 2 источником электродвижущей силы (ЭДС) служит перепад давления P и Р рабочего тела на ее электродах 7 и 8. В качестве рабочего тела используется йод. Разность термодинамических потенциалов Гиббса для рабочего тела, находящегося при различных давлениях P и P в контакте с электродами 7 и 8, является количественной мерой ЭДС ячейки 2.
1
Рабочий процесс выработки электрической энергии складывается из нескольких стадий. Пар йода из полости высокого давления P - 5 проникает через пористый электрод 7 в зону его контакта с твердым электролитом 4. Здесь происходит ионизация атомов или молекул йода путем обмена электронами на поверхности электрода 7 по реакции  и поступление ионов йода в среду твердого электролита 4, изготовленного, например, из йодистого свинца PbJ, с проводимостью по ионам йода. Одновременно с этим происходит обратный процесс в зоне контакта твердого электролита 4 с электродом 8 по реакции  ионы йода выходят из твердого электролита 4 в виде нейтральных атомов или молекул, обмениваясь электронами с электродом 8.
1
2
Макроскопический рабочий процесс выглядит, как течение рабочего тела - йода через ячейку 2 под действием перепада давлений P и Р так, что ионная составляющая потока проходит через твердый электролит 4, а электронная составляющая проходит через внешнюю электрическую цепь, подсоединенную к наружным клеммам 55 электродов 7 и 8. Процесс электрогенерации в ячейке 2 (фиг.5) представлен изотермическим процессом (56-57).
2
Из полости низкого давления 6 пар йода с давлением Р поступает в первый тракт 13 теплообменника-регенератора 9, где охлаждается - процесс (57-58) на фиг.5, после чего пар низкого давления йода поступает в конденсатор 10, где конденсируется - процесс (58-59) на фиг.5.
конд
2
-2
Тепло конденсации забирается теплоносителем 28, циркулирующим через коаксиальный цилиндрический охладитель конденсатора системы отопления 27. Температура конденсации пара йода в конденсаторе 10-(115÷120)°С или Т=390°К и давление насыщенных паров йода при этой температуре равно P=10 атм. Тепло конденсации йода, аккумулированное теплоносителем 28, используется на нужды отопления энергоавтономного дома.
1
мах
1
Из конденсатора 10 жидкий йод поступает в насос 11 - процесс (59-60) на фиг.5, и из насоса жидкий йод с давлением P≈1 атм. Поступает во второй тракт 14 теплообменника-регенератора 9, где нагревается - процесс (60-61) на фиг.5 и поступает в испаритель-перегреватель 12, где жидкий йод испаряется и превращается в пар - процесс (61-62), поглощая тепло от продуктов сгорания биогаза через стенку 48, а затем в испарителе-перегревателе 12 сухой пар йода перегревается до температуры Т=573К - процесс (62-56) и поступает в полость высокого давления 5 с давлением P≈1 атм ячейки 2. Цикл замкнут (фиг.5). Работа цикла получается в форме электрической энергии, снимаемой с наружных клемм 55, а отводимое тепло в конденсаторе 10 идет на отопление дома.
Через коаксиально-цилиндрический теплообменник контура горячего водоснабжения 33 прокачивается холодная вода, которая через стенку 36 аккумулирует тепло уходящих газов, нагревается и используется на нужды горячего водоснабжения.
ЭДС, возникающая на электродах 7 и 8 каждой ячейки, будет равна:
где ΔG - перепад термодинамического потенциала рабочего тела, Дж/моль;
Z - валентность тока, переносчика заряда в системе;
F - число Фарадея, кулон/моль;
R - газовая постоянная, Дж/моль·°К;
mах
Т - температура ячейки 2;
1
исп
2
конд
P (Р) и P (Р) - экстремальные давления.
Величины ЭДС, рассчитанные по формуле (1), хорошо согласуются с экспериментальными значениями ЭДС генератора - прототипа [1] для тех же температур.
Удельная электрическая мощность W, вырабатываемая ячейками 2, будет иметь вид
электр
где δ - толщина электролита 4, см;
ж - электропроводность электролита 4,1/ом·см;
2
J - плотность тока на электродах ячейки, А/см.
Предельная эффективность цикла прямого преобразования тепловой энергии сжигаемого биогаза в электрическую энергию (без учета утилизируемой тепловой энергии сжигаемого биогаза на отопление и горячее водоснабжение) будет равна
-3
2
2
На фиг.6 представлены значения напряжений на электродах 7 и 8 ячейки 2 и ее удельной мощности, рассчитанных по представленным выше формулам (1) и (2), в зависимости от плотности тока на электродах 7 и 8. Как видно из графика, при работе ячейки в режиме максимальной удельной мощности, составляющей 15·10 Вт/м, напряжение на электродах 7 и 8 будет равно 0,12 В при плотности тока 0,12 А/см.
В предложенном электротеплогенераторе используются дешевые вещества - йод и йодистый свинец. В современных условиях пористые электроды 7 и 8 и электродный блок, включающий электроды 7 и 8 и твердый электролит 4, могут быть изготовлены с использованием новых наноматериалов (нанотрубок из графита) и нанопроцессов (напылением). Эти обстоятельства являются предпосылкой к снижению удельной стоимости вырабатываемой электроэнергии при одновременной утилизации тепла сжигаемого биогаза на отопление и горячее водоснабжение энергоавтономного дома.