ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода, как в стационарных установках, так и на транспорте.
Известен генератор водорода, работающий за счет гидролиза твердого реагента-алюминия, имеет реакционный сосуд, магистраль подачи водного раствора едкого натра, магистраль выдачи водорода, контейнер с твердым реагентом-алюминием, теплообменник для отвода тепла реакции, выполненный из металла, устойчивого к действию водного раствора едкого натра, размещенный внутри реакционного сосуда заполненного водным раствором едкого натра и имеющего прямой тепловой контакт с твердым реагентом-алюминием, более высокую теплопроводность, чем твердый реагент-алюминий. [Патент РФ №2232710 МПК С 01 В 3/08; В 01 J 7/00 авторы Челяев В.Ф., Глухих И.Н. и др. "Генератор водорода"].
Недостатком данного генератора является отсутствие регулировки выработки количества водорода, что делает генератор малоэкономичным.
Известен генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции, пусковой нагреватель жидкости, перепускную емкость, сообщающуюся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющую объем превышающий объем жидкого реагента и снабженную 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. Реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд размещен внутри [патент РФ №2243147 МПК С 01 В 3/08 авторы Челяев В.Ф., Глухих И.Н. и др. "Генератор водорода транспортной энергоустановки" опубл. 27.12.2004, Бил. №36, 2004 г.].
Недостатком генератора является невозможность регулировки количества вырабатываемого водорода и его малая производительность.
Техническим результатом является повышение производительности генератора водорода и его регулировка за счет изменения концентрации жидкого реагента.
Технический результат достигается тем, что в генератор водорода транспортной энергоустановки, работающий на гидролизе с твердым реагентом и с реагентом, помещенным в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода и магистраль подачи жидкого реагента, теплообменник для отвода тепла реакции, пусковой нагреватель жидкости и перепускную емкость, сообщающуюся в нижней части с реакционным сосудом через запорный элемент, имеющую объем, превышающий объем жидкого реагента и снабженная магистралью наддува, а магистраль подачи жидкого реагента подсоединена к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, датчик температуры жидкого реагента, реакционный сосуд и перепускная емкость, выполненная в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а внутри размещен реакционный сосуд, при этом дополнительно установлены расходная емкость для сбора водорода с обратным клапаном и электроуправляемым клапаном, который расположен параллельно обратному клапану, датчик давления, который подключен к магистрали наддува, датчик температуры теплообменника, блок управления с
программным устройством, резервуар с водой, на котором установлен регулятор подачи воды и обратный клапан, переходная емкость с обратным клапаном и семь электроуправляемых клапанов, причем на входе резервуара с водой установлен электроуправляемый клапан, а на выходе - обратный клапан, к тому же вход переходной емкости соединен через электроуправляемый клапан со вторым выходом перепускной емкости, а выход переходной емкости - соединен через обратный клапан с магистралью подачи едкого натрия впереди установленного на ней электроуправляемого клапана, причем первый электроуправляемый клапан установлен на магистрали подачи едкого натрия, второй электроуправляемый клапан установлен на входе резервуара с водой, третий электроуправляемый клапан установлен на первом выходе, расположенном в верхней части перепускной емкости, четвертый электроуправляемый клапан установлен на магистрали наддува, пятый электроуправляемый клапан установлен на магистрали выдачи водорода, шестой электроуправляемый клапан установлен параллельно обратному клапану, расположенному на входе-выходе расходной емкости, седьмой электроуправляемый клапан установлен между вторым выходом, расположенным в нижней части перепускной емкости, и входом переходной емкости для жидкого реагента, а электроуправление всеми клапанами, датчиком давления, датчиком температуры жидкого реагента, датчиком температуры теплообменника, пусковыми нагревателями жидкого реагента и запорным элементом реакционного сосуда осуществляют от программного устройства через блок управления.
На фиг.1 представлена схема генератора водорода транспортной энергоустановки.
2
Генератор водорода состоит из контейнера с твердым реагентом-алюминием 1, реакционного сосуда 2, магистрали выдачи водорода (Н)3, магистрали подачи едкого натрия (NaOH) 4, магистрали наддува 5,
теплообменника 6 для отвода тепла реакции, пусковых нагревателей жидкого реагента 7, перепускной емкости 8, запорного элемента 9, датчика температуры жидкого реагента 10, датчика температуры 11 теплообменника, резервуара 12, обратных клапанов 13, 14, 15, регулятора подачи воды 16, расходной емкости 17, датчика давления 18, блока управления 19, программного устройства 20, переходной емкости 21, электроуправляемых клапанов 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28. Первый электроуправляемый клапан 22 установлен на магистрали подачи едкого натрия 4, второй электроуправляемый клапан 23 установлен на входе резервуара 16 с водой, третий электроуправляемый клапан 24 установлен на первом выходе расположенном в верхней части перепускной емкости 8, четвертый электроуправляемый клапан 25 установлен на магистрали наддува 5, пятый электроуправляемый клапан 26 установлен на магистрали выдачи водорода 3, шестой электроуправляемый клапан 27 установлен параллельно обратному клапану, расположенному на входе-выходе расходной емкости 17, седьмой электроуправляемый клапан 28 установлен между вторым выходом, расположенным в нижней части перепускной емкости 8, и входом переходной емкости 21 для жидкого реагента.
Генератор водорода транспортной энергоустановки работает следующим образом. При запуске программного устройства 20, связанного с блоком управления 19, открываются электроуправляемые клапаны 22 и 23. Через электроуправляемый клапан 22 едкий натрий поступает по магистрали подачи едкого натрия 4 в перепускную емкость 8, а через электроуправляемый клапан 23, находящийся на входе резервуара 12, имеющий регулятор подачи воды 16, поступает вода от внешнего источника, которая затем направляется через обратный клапан 14, расположенный на выходе резервуара 12, в перепускную емкость 8 генератора водорода. Полученная смесь (водный раствор щелочи)
нагревается пусковыми нагревателями 7. Запорный элемент 9 находится в закрытом положении. После достижения определенной температуры водного раствора щелочи пусковые нагреватели 7 отключаются, и открывается запорный элемент 9. Водный раствор щелочи начинает перетекать из перепускной емкости 8 и наполнять реакционный сосуд 2, под давлением воздуха, подаваемого из магистрали наддува 5 при открытом электроуправляемом клапане 25. Давление наддува контролируется датчиком 18. В зависимости от определенных режимов работы транспортной энергоустановки получаемое количество водорода необходимо варьировать. Для этого регулируют подачу воды. Регулирование подачи добавки воды к едкому натрию осуществляется с помощью регулятора подачи воды 16, находящегося в резервуаре 12. Вода, находящаяся в резервуаре 12, проходя через обратный клапан 14, установленный на выходе резервуара 12, поступает в реакционный сосуд 2 через первый вход перепускной емкости 8, за счет чего изменяется концентрация полученного жидкого реагента (водного раствора щелочи). Производительность генератора водорода уменьшается при увеличении содержания воды в жидком реагенте (водном растворе щелочи), а при уменьшении содержания воды - наоборот увеличивается. При необходимости значительного повышения производительности генератора водорода клапан 23 перекрывается, предотвращая подачу добавки воды к едкому натрию, поступающему по магистрали подачи едкого натрия 4 через открытый электроуправляемый клапан 22. При необходимости значительного уменьшения производительности генератора водорода, дополнительно с подачей едкого натрия, или без его подачи при закрытом электроуправляемом клапане 22, открывается электроуправляемый клапан 23 и подача воды, регулируемая регулятором подачи воды 16 из резервуара 12 поступает через перепускную емкость 8 в реакционный сосуд 2 генератора водорода. Если при дополнительной подаче воды уровень
жидкого реагента превышает норму, открывается электроуправляемый клапан 28 установленный между вторым выходом перепускной емкости 8 и входом переходной емкости 21, электроуправляемые клапаны 22 и 23 перекрываются и избыточный жидкий реагент переходит в переходную емкость 21 до тех пор, пока уровень жидкого реагента в реакционном сосуде 2 не нормализуется, после чего электроуправляемый клапан 28 перекрывается. При уменьшении количества жидкого реагента в реакционном сосуде 2 в процессе работы генератора водорода, открываются электроуправляемые клапаны 22 и 23 (либо открывается клапан 22 или 23, в зависимости от режима работы энергоустановки) и жидкий реагент подается вновь. Дополнительно через обратный клапан 15 находящийся на выходе переходной емкости 21 жидкий реагент поступает к основной магистрали подачи едкого натрия 4. Реакция взаимодействия жидкого реагента с твердым реагентом-алюминием сопровождается бурным выделением тепла, которое в результате работы генератора водорода отводится с помощью теплообменника 6. Для контроля необходимой температуры реакции твердого и жидкого реагентов на теплообменнике 6 установлен датчик температуры теплообменника 11, связанный с управляющим блоком 19.
Производительность генератора регулируется в два приема. Сначала задается соответствующая температура, которая контролируется с помощью датчика температуры 10 в реакционном сосуде 2, а затем более точно - регулируется концентрация жидкого реагента путем определенных добавок воды из резервуара 12. Также можно регулировать уровень жидкого реагента в реакционном сосуде 2, изменяя давление в перепускной емкости 8 с помощью датчика давления 18, электроуправляемого клапана 25 установленного на магистрали наддува 5, программного устройства 20 и связанного с ним блока управления 19.
Производительность генератора водорода зависит и регулируется от режима работы транспортной энергоустановки.
Давление в перепускной емкости 8 задается программным устройством 20, контролируется с датчика давления 15, связанного с блоком управления 19. Для поддержания необходимого давления открывается электроуправляемый клапан 25, связанный с блоком управления 19, и из магистрали наддува 5 поступает определенное количество воздуха (например от компрессора или воздушной магистрали). При достижении необходимого давления электроуправляемый клапан 25 закрывается. После установки необходимого уровня жидкого реагента в реакционном сосуде 2 запорный элемент 9 находиться в открытом положении. При этом при постоянном давлении в перепускной емкости 8 обеспечивается автоматическая стабилизация режима работы генератора водорода. При повышении давления водорода в реакционном сосуде 2 жидкий реагент из него вытесняется в перепускную емкость 8 или в переходную емкость 21 при открытии электроуправляемого клапана 28, уменьшается площадь поверхности реагирующего твердого алюминиевого реагента, контактирующего с жидким реагентом, и снижается расход выделяемого водорода. Давление в реакционном сосуде 2 падает. При снижении давления в реакционном сосуде 2 жидкий реагент, поступает в него из перепускной емкости 8. Повышается уровень жидкости в реакционном сосуде 2 и увеличивается смоченная площадь твердого алюминиевого реагента. Как следствие увеличивается и расход генерируемого водорода. Производительность генератора водорода регулируется также за счет изменения концентрации жидкого реагента (процентного содержания воды в щелочи NaOH), причем концентрация жидкого реагента изменяется в зависимости от режима работы транспортной энергоустановки путем автоматической подачи воды из внешнего источника, который
подсоединен к резервуару 12, и с помощью регулятора подачи воды 16 через обратный клапан 14 вода подается в перепускную емкость 8 генератора водорода.
Образующийся в реакционном сосуде 2 водород отводится по магистрали 3 для питания энергоустановки и скапливается в расходной емкости 17, на которой установлен обратный клапан 13 и расположенный параллельно ему электроуправляемый клапан 27, для чего открывается электроуправляемый клапан 26 связанный с блоком управления 19. Изменение режима работы генератора водорода осуществляется изменением величины давления в перепускной емкости 8 путем открытия электроуправляемого клапана 25. Изменение (повышение или уменьшение) производительности генератора водорода в зависимости от режима работы транспортной энергоустановки осуществляется также с помощью перекрытия электроуправляемого клапана 23 предотвращающего подачу добавки воды к едкому натрию, поступающему по магистрали 4 подачи едкого натрия через открытый электроуправляемый клапан 22 (режим повышенной производительности генератора водорода) или с помощью открытия электроуправляемого клапана 23 дополнительно с подачей едкого натрия, или без его подачи при закрытом электроуправляемом клапане 22 (режим пониженной производительности генератора водорода).
Для кратковременного увеличения расхода водорода для энергоустановки открывается клапан 27 и водород из расходной емкости 17, минуя обратный клапан 13, поступает в энергоустановку.
Остановка генератора водорода осуществляется за счет понижения давления в перепускной емкости 8, путем открытья электроуправляемого клапана 24, находящегося в верхней части перепускной емкости 8 соединяющего ее полость с атмосферой. В результате чего уровень жидкого реагента в реакционном сосуде 2 становится ниже уровня
расположения твердого реагента-алюминия 1. При этом одновременно происходит закрытие электроуправляемых клапанов 22 и 23, реакции взаимодействия твердого реагента-алюминия 1 и жидкого реагента прекращаются и выделение водорода не происходит.
При повторном пуске генератора водорода оставшийся в перепускной емкости 8 жидкий реагент снова подогревают, что сокращает время выхода генератора на режим. Для удобства размещения генератора водорода реакционный сосуд 2 и перепускную емкость 8 целесообразно выполнить в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, причем реакционный сосуд 2 разместить внутри перепускной емкости 8.
Предлагаемое техническое решение позволяет создать компактный генератор водорода, имеющий глубокую степень регулировки, "мягкую" расходную характеристику, повышенную производительность с возможностью ее регулировки за счет изменения концентрации жидкого реагента и способный работать в режиме автостабилизации.