ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА

Полезная модель относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода.
Известна энергетическая установка подводной лодки, содержит электрохимический генератор с водородно-кислородными топливными элементами, интерметаллидные накопители водорода, блок хранения криогенного кислорода и цистерна с дистиллированной водой, бункером с измельченным алюминием, цистерной с раствором едкого натра, дозатором, химическими реакторами, конденсаторами-сепараторами, фильтрами-осушителями, цистерной сбора продуктов реакции и водородным компрессором. [Патент РФ №2181331, МПК: 7B63G 8/08, БИ №11, 2002 г., авторы: Игнатьев К.Ю., Никифоров Б.В.]
Недостатком известного устройства следует отнести, большая энергоемкость системы терморегулирования генератора, небольшая тепловая эффективность.
Известен генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенным в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, перепускная емкость, сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющая объем, превышающий объем жидкого реагента и снабженная магистралью наддува, а магистраль подачи жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по
высоте столба жидкого реагента, причем реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а реакционный сосуд размещен внутри. [Патент РФ №2243147, МПК С01В 3/08, БИ №36, 2004 г., авторы: Челяев В.Ф., Глухих И.Н., и др. «Генератор водорода транспортной энергоустановки»].
Данное техническое решение выбрано авторами за прототип.
К недостаткам прототипа следует отнести следующее:
- неравномерная выработка твердого реагента;
- недостаточно четко регулируется давление подаваемого воздуха, который предназначен для осушения реакционного сосуда.
Техническим результатом является разработка генератора водорода с более «мягкой» расходной характеристикой, за счет стабилизации режима и повышения быстродействия.
Техническое результат достигается тем, что генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, который представляет водный раствор щелочи, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковой нагреватель жидкости, перепускная емкость сообщающаяся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, магистраль наддува, магистраль жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента, реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга а реакционный сосуд размещен внутри, контейнер с твердым реагентом выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части
пластины к низу, и дополнительно введены компрессор, вакуумный насос, пять электроуправляемых клапанов, датчик давления, блок управления с программным блоком, причем магистраль наддува соединена через второй электроуправляемый клапан с выходом компрессора через третий электроуправляемый клапан со входом вакуумного насоса и атмосферной линией, на которой установлен первый электроуправляемый клапан, четвертый электроуправляемый клапан установлен на линии вывода водорода, пятый электроуправляемый клапан установлен на магистрали подачи жидкого реагента, а датчик давления установлен на магистрали наддува и соединен через блок управления с программным блоком, который управляет работой компрессора, вакуумного насоса и всеми пятью электроуправляемыми клапанами.
Конструкция контейнера с твердым реагентом выполненным в виде нескольких пластин из твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верней части пластины к низу и дополнительное введение компрессора и вакуумного насоса, которыми блок управления с программным блоком управляет, а также управляет пятью электроуправляемыми клапанами - двумя на входе вакуумного насоса и выходе компрессора, на магистралях атмосферной линии (из атмосферы), вывода водорода и подачи жидкого реагента позволяет создать генератор водорода с «мягкой» расходной характеристикой, за счет стабилизации режима и повышения быстродействия.
На фиг.1 представлена схема генератора водорода.
Генератор водорода состоит из контейнера с твердым реагентом 1, реакционного сосуда 2, перепускным отверстием 3, магистрали вывода водорода 4, магистрали подачи жидкого реагента в виде водного раствора щелочи NaOH 5, теплообменника для отвода тепла реакции 6, пусковых нагревателей жидкости 7, перепускной емкости 8, магистрали наддува 9, датчика температуры жидкости 10, компрессора 11, вакуумного насоса 12,
программного устройства 13, блока управления 14, датчика давления 15, электроуправляемых клапанов 16, 17, 18, 19, 20.
Генератор водорода работает следующим образом. Запускают программный блок 13, связанный с блоком управления 14, который открывает электроуправляемый клапан 20 и жидкий реагент водный раствор щелочи NaOH по магистрали 5 поступает в перепускную емкость 8, где подогревается пусковыми нагревателями 7. После достижения необходимой температуры, которая контролируется датчиком 10, жидкий реагент в виде водного раствора щелочи поступает в реакционный сосуд 2. После заполнения реакционного сосуда 2 электроуправляемый клапан 20 закрывают, пусковые нагреватели 7 отключают.
В реакционном сосуде 2 расположен контейнер с твердым реагентом 1, который выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части пластины к низу, например алюминием. В результате контакта жидкого реагента - водного раствора щелочи NaOH с алюминием начинается химическая реакция. Тепло от водного раствора щелочи NaOH отводится с помощью теплообменников 6. Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала грубо - задавая соответствующую температуру в реакционном сосуде 2, а затем более точно - регулируя высоту водного раствора h в нем, т.е. глубину погружения в жидкость контейнера с твердом реагентом 1. Последнее достигается изменением давления в перепускной емкости 8 для чего служит программное устройство 13 и блок управления 14.
Давление в перепускной емкости поддерживается с помощью датчика давления 15, который соединен с блоком управления 14. Необходимое давление в перепускной емкости 8 равно:
P=ρ·g·h,
где h - высота водного раствора - разность уровней водного раствора в реакционном сосуде 2 и перепускной емкости 8,
ρ - плотность водного раствора,
g - ускорение свободного падения.
Для обеспечения необходимого давления (высоты водного раствора) включают компрессор 11 и открывают электроуправляемый клапан 18, связанный с блоком управления 14. После достижения необходимого давления закрывают электроуправляемый клапан 18, выключают компрессор 11. При постоянном давлении в перепускной емкости 8 происходит автоматическая стабилизация режима работы генератора водорода. При повышении давления водорода в реакционном сосуде 2 жидкость из него вытесняется в перепускную емкость 8, уменьшается площадь реагирующего твердого компонента и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде 2 падает, пока не достигнет прежней величины. При снижении давления в реакционном сосуде 2 жидкий реагент, поступает в него из перепускной емкости 8. Повышается уровень жидкости и увеличивается смоченная площадь твердого реагента контейнера 1. Как следствие увеличивается расход генерируемого водорода. Таким образом, происходит автоматическая стабилизация давления водорода в реакционном сосуде 2 по величине опорного давления в перепускной емкости 8.
Образующийся в реакционном сосуде 2 водород отводится по магистрали 4, для чего открывают электроуправляемый клапан 19, связанный с блоком управления 14. Для изменения режима работы изменяют величину давления в перепускной емкости 8 с помощью компрессора 11 и электроуправляемого клапана 18 или электроуправляемого клапана 16. При открытии электроуправляемый клапан 16 уровнем водного раствора щелочи NaOH в реакционном сосуде 2 и перепускной емкости 8 выравниваются (h≅0). Для дальнейшего
снижения уровня водного раствора в реакционном сосуде 2 закрывают электроуправляемый клапан 17, включают вакуумный насос 12, открывают электроуправляемый клапан 17 и устанавливают необходимое разряжение в перепускной емкости 8, которое равно
p
Р=h·ρ·g,
p
где h - разность уровней водного раствора в перепускной емкости 8 и реакционном сосуде 2.
Для остановки генератора водорода создают разряжение в перепускной емкости 8, при котором уровень водного раствора в реакционном сосуде 2 становится ниже уровня расположения контейнера с твердым реагентом 1.
При этом жидкость из реакционного сосуда 2 перетекает в перепускную емкость 8, и твердый реагент оказывается в атмосфере водорода и выделение водорода прекращается.
При работе генератора водорода водный раствор расходуется в реакционном сосуде 2.
Для компенсации уменьшения объема водного раствора и его концентрации периодически открывают электроуправляемый клапан 20 и по магистрали 5 подают жидкий реагент - водный раствор щелочи NaOH.
В схеме предлагаемого генератора водорода блок управления выполнен на базе однокристального микроконвертора ADUC 812, который связан с внешними устройствами многофункциональной платой EVAL-ADUC 841 QS фирмы ANALOG DEVICES.
Программный блок выполнен на базе неразрушаемой памяти Data Flash емкостью 17 Mb.
Предусмотрено подключение блока управления с программным блоком к персональному компьютеру через стандартный порт RS 232 для перепрограммирования режимов работы генератора водорода.
Предлагаемое техническое решение позволяет создать глубокую степень регулировки, «мягкую» расходную характеристику, повышенное быстродействие в режиме автостабилизации.