Способ генерирования водорода для энергетических установок

 

Сущность изобретения: рабочее вещество загружают в емкость в виде микрообъемов из неразрушающегося водородосодержащего материала с размерами 10 300 мкм. При непрерывном шлюзовании порции рабочего вещества самосыпом подают в зону генерации. Нагрев рабочего вещества ведут от 500°С до температуры критического состояния отводом тепла от камер энергетической установки. Согласование ритма подачи рабочего вещества и нагрузки энергетической установки проводят автоматически. 1 ил.

Изобретение относится к атомно-водородной энергетике, в частности к способам генерирования водорода или энергетических установок (ЭУ).

Известен способ [1] генерирования водорода, который можно использовать при эксплуатации ЭУ, включающий размещение в загрузочном баке рабочего вещества (РВ) из высокотемпературных гидридов (типа MgNiH₄или MgH₂, содержащих 4 и 7% водорода по весу соответственно), подогрев РВ во втором баке до температуры десорбции 550-600^оС, подачу выделившегося водорода в приемную камеру ЭУ.

К недостаткам этого способа относится трудность обеспечения требуемых для разложения РВ температуры и теплоты диссоциации ( 33 кал/моль Н₂) без привлечения дополнительного источника тепловой энергии, трудоемкость при перезарядке и связанные с этим существенные ограничения на многократное воспроизведение способа. Так согласно [1] только вес загрузочного бака достигает 120 кг. В известном способе не предусмотрены мероприятия, снижающие инерционность процесса генерации водорода.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ [2] включающий размещение РВ в виде порошка металлогидридов в загрузочную емкость, подачу РВ в реактор (зону генераций), подогрев РВ в реакторе до температуры десорбции. Выделившийся в реакторе газ подается под давлением в камеру сгорания ЭУ, а использованный гидрид из реактора перемещается во вторую емкость. Нагрев РВ производят теплом выхлопных газов ЭУ, подведенных в реактор из тепловых камер (сгорания) ЭУ посредством системы трубопроводов, соединяющих разнесенные в пространстве реактор и камеры ЭУ.

Недостатки этого способа заключаются в инерционности процесса генерирования водорода из РВ и неэффективном использовании тепловой энергии за счет подачи сравнительно больших порций РВ в реактор и значительной удаленности реактора от источников вторичного тепла, используемых для нагрева РВ. Инерционность проявляется в генерировании водорода при прекращении работы ЭУ, что в свою очередь приводит к утечке водорода в атмосферу, что понижает безопасность работы ЭУ, вызывает экологическое загрязнение окружающей среды и перерасход использованного количества РВ. Низкая эффективность использования тепловой энергии ЭУ снижает производительность способа. Кроме того, в прототипе представляется довольно сложным регулирование ритма генерации водорода и его согласование с динамическими характеристиками ЭУ.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в обеспечении газообразным топливом водородом ЭУ с одновременной экономией РВ и энергии, улучшении экологической обстановки и безопасности устройств, реализующих предлагаемый способ.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ обеспечивает новый технический результат, заключающийся в снижении инерционности генерирования водорода и обеспечении возможности согласования ритма генерирования водорода с нагрузкой ЭУ, экономии РВ, повышении производительности способа и безопасности работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем предварительное размещение РВ в загрузочном баке, перемещение водородосодержащего РВ в зону генерации и его подогрев, подачу генерированного водорода в энергетическую установку, удаление отработанного вещества из зоны генерации в выпускной бак, в качестве РВ используют механически прочные в режиме эксплуатации микрообъемы одной из фракций в диапазоне размеров 10-300 мкм, предварительно насыщенные водородом при давлении до 0,2 ГПа, подают и пропускают через зону генерации непрерывно путем последовательного шлюзования операционных порций РВ, подогрев которого осуществляют в системе каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер энергетической установки, от 500^оС до температуры, при которой фактическая динамическая нагрузка на микрообъемы соответствует пределу их механической прочности, при этом согласуют ритм подачи РВ через зону генерации с динамической нагрузкой энергетической установки автоматически.

Исследование уровня техники в данной и смежной областях науки и техники показало следующее.

1. Использование порошка (микрообъемов) водородосодержащего вещества в качестве РВ известно. Однако в предлагаемом способе РВ в виде калиброванных микрообъемов с незначительным разбросом размеров используемой фракции приводит к проявлению другого технического эффекта, заключающегося в экономии исходных веществ и материалов, в более точном регулировании производительности способе в режиме практически непрерывной подачи этих микрообъемов в зону генерации, снижении инерционности способа.

2. Использование приема непрерывной подачи РВ в зону генерации, где происходит одновременно его нагрев от "бросового" тепла ЭУ, как это предложено в предлагаемом способе, в отличие от дискретной подачи больших порций РВ в известном способе из [2] приводящей к значительной инерционности способа и возможной утечке газообразного водорода после остановки ЭУ, приводит к снижению инерционности и повышению производительности предлагаемого способа, а также облегчает регулирование ритма генерирования водорода, что в известных технических решениях не обнаружено.

3. Использование микрообъемов, насыщенных газообразными продуктами водорода под давлением до 0,2 ГПА в диапазоне размеров 20-500 мкм, к которым предъявлялись жесткие требования по сферичности и разнотолщинности, известно в лазерном термоядерном синтезе в качестве мишеней, сохраняющих изотопы водорода в течение определенного времени.

В предлагаемом способе насыщенные подобным образом микрообъемы использованы в качестве источников быстрой генерации десорбируемого из них газообразного водорода и в заявляемом диапазоне размеров РВ обеспечивается непрерывный режим подачи этих частиц РВ.

4. Температура нагрева выбрана в предлагаемом способе на основании оценок фактических данных по параметрам используемых ЭУ, а также экспериментальных данных, о влиянии температуры на повышение степени использования РВ и выхода целевого продукта. В анализируемых известных технических решениях таких сведений не выявлено.

5. Использование приема согласования ритма подачи вещества и ритма работы ЭУ известно, однако использование известной системы клапанов не обеспечивает сравнимое с заявляемым снижение инерционности процесса генерации и подачи газообразного топлива в ЭУ.

Таким образом, анализ уровня техники показывает, что новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением, явным образом не вытекает из предшествующего уровня техники, а также заявляемая совокупность признаков не обнаружена при поиске аналогов изобретения.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Предварительно частицы РВ, изготовленные в виде микрообъемов водородосодержащего вещества, насыпают в загрузочный бак. Набор микрообъемов определенной фракции производят в диапазоне 10-300 мкм, при этом разброс размеров в пределах каждой фракции должен быть минимальным. Это условие необходимо соблюдать для снижения инерционности процесса регулирования выхода водорода с одновременным повышением его выхода (производительности способа).

По произведенным расчетным оценкам оптимальная толщина S стенок микрообъемов связана с толщиной (b генерирующего слоя микрообъемов и характерным размером микрообъема (d/2) соотношением S b где L длина пробега водорода между столкновениями со скелетом микрообъемов, k геометрический фактор (k≈20-30). При этом обеспечивается практически одновременная десорбция водорода из всех микрообъемов, находящихся в зоне генерации, за минимальное время при условии d/S const.

Тем самым в предлагаемом способе подбор заявляемого диапазона размеров микрообъемов обеспечивает максимальный выход водорода за время нахождения порции РВ зоне генерации, а следовательно, и повышает производительность способа.

Теоретически и экспериментально доказано, что при использовании в спрессованных объектах с заданной пористостью частиц определенной фракции обеспечивается одновременное и единообразное функционирование всех пор при пропускании через них водорода. Необходимость ограничений на разброс размеров микрообъемов вытекает из оценок времени диффузии водорода из микрообъемов в поровое пространство и последующей фильтрации газа в пористом веществе с открытыми порами по формуле t t₁ + t₂ (S²/L + 2b²/kd/V_т, где V_т тепловая скорость атомов водорода.

Откуда следует, что указанное выше время нахождения порции РВ в зоне генерации, за которое должно выделиться требуемое в определенный момент эксплуатации количество водорода, будет обеспечиваться при использовании микрообъемов РВ в заявляемом оптимальном диапазоне размеров. На этом основано согласование ритма генерации и подачи водорода в ЭУ с ритмом изменения динамических параметров ЭУ.

Бак загрузки, заполняемый указанным выше образом, можно заменять на новый или заправлять автоматическим способом на станциях заправки, что обеспечивает возможность, как и в прототипе, многократного воспроизводства способа.

После полной загрузки бака РВ подают в систему каналов зоны генерации, где осуществляют нагрев РВ. В отличие от прототипа зона генерации в предлагаемом способе включает систему каналов, расположенных в непосредственной близости от источников "бросового" тепла ЭУ, от зоны взаимодействия топлива с окислителем, например, камер сгорания. В отличие от прототипа, в котором эти зоны значительно удалены друг от друга в пространстве, в предлагаемом способе повышается коэффициент использования энергии ЭУ и, как следствие, повышается производительность способа и экономия РВ. В зоне генерации обеспечивается температура, достаточная для десорбции водорода из микробов РВ. При этом в предлагаемом способе отпадает необходимость дополнительного источника тепловой энергии в отличие от прототипа. Это установлено в ходе оценки количества тепла, снимаемого со стенок теплообменных каналов, расположенных в непосредственной близости с камерами сгорания, и непосредственном контакте микрообъемов со стенками теплообменных каналов. Оценки показывают, что снимаемое количество тепловой энергии соответствует теплоте диссоциации (> 33 кал/моль Н₂) и обеспечивается тепловым режимом камер сгорания большинства используемых на практике ЭУ.

Прохождение микрообъемов РВ через зону генерации осуществляется в режиме практически непрерывной подачи со скоростью, пропорциональной скорости энергосъема с ЭУ. Непрерывность подачи РВ реализуется на принципе шлюзования путем последовательного проведения порции РВ по схеме: через первичную камеру шлюза (накопитель) нагрев (зона генерации) сбор порции отработанного РВ во вторичной камере шлюза (приемник) с последующим выпуском этой порции в выпускной бак. Время нахождения порции РВ на каждой из указанных позиций определяется ритмом энергосъема ЭУ за счет оборудования шлюзовых камер, что позволяет осуществить более тонкую и точную регулировку подачи РВ и водорода. Контроль за генерацией газа осуществляется путем измерения давления водорода в газосборнике и сравнением этого значения с оптимальным значением для данного режима работы. Согласование ритма подачи РВ осуществляется автоматически с помощью регистрирующих и передающих приборов.

При этом значительная экономия РВ в процессе его нагревания в зоне генерации обеспечивается выполнением требований к режиму предварительного насыщения РВ на этапе его изготовления при избыточном давлении (0,0005-0,2 ГПа), поскольку при этом удельное содержание водорода по массе может достигать ≈ 30% что достаточно для повышения его отбора в ЭУ.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом более высокий выход газообразного топлива, уменьшает удельный расход РВ, повышает производительность способа и снижает инерционность генерирования газа, а также позволяет вести процесс генерации водорода в согласовании с нагрузкой ЭУ.

На чертеже изображена схема предлагаемого способа.

Он состоит в засыпке РВ загрузочного бака 1, подаче РВ в систему шлюзовых камер и каналов зоны генерации 2, находящихся в непосредственном тепловом и газовом контакте с камерами преобразования энергии ЭУ 4, сборе отработавших микрообъемов в выпускном баке 3.

Промышленная применимость предлагаемого способа подтверждена на следующих примерах.

П р и м е р 1. В качестве ЭУ был задействован двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Способ осуществляется по схеме, изображенной на чертеже. В загрузочный бак помещается порция РВ 16 кг. Используется РВ из микрообъемов со средним размером 200 мкм толщиной стенки 8 мкм с разбросом размеров 10% от среднего значения. По известной технологии микробаллоны выполняют двухслойными из 4 мкм стекла и 4 мкм гидрида титана ТiН₂ снаружи. В режиме эксплуатации микрообъемы сохраняются, σ_пр во внешнем слое составляет 0,1 ГПа. Технологически приемлем способ, когда такие микрообъемы насыщаются водородом при давлении 0,05-0,1 ГПа и температуре процесса 500^оС, что обеспечивает массовое содержание водорода 7-15% Время хранения водорода в микрообъемах оценивается на уровне 10⁷ с при естественных условиях (20^оС, Р≈1 атм). Суммарное содержание водорода в загрузочном баке 1-2,2 кг. Согласно техническим разработкам этого запаса водорода при 5%-ной добавке его к бензину достаточно для пробега 500-1000 км при стандартном бензиновом баке. Этот факт свидетельствует о достаточно высокой емкости РВ по отношению к водороду и высокой степени использования водорода в предлагаемом способе по сравнению с прототипом, экономии материалов.

Использование предлагаемого способа позволяет применять при необходимости малогабаритные гидридные загрузочные баки, сменяемые на заправочных станциях, в отличие от прототипа, где они довольно громоздки, что свидетельствует об улучшении экономических параметров способа и увеличении безопасности при эксплуатации ЭУ.

РВ подают и пропускают через систему каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер ЭУ, непрерывно путем последовательного шлюзования операционных порций. Нагрев РВ производят в диапазоне 550-600^оС путем варьирования расположения тепловых каналов. Нагрев более 1500^оС ведет к деформации и разрушению микробаллонов, засорению шлюзовой системы и прекращению генерирования водорода. Ритм подачи РВ автоматически согласуется с нагрузкой ЭУ известными методами по числу оборотов двигателя в единицу времени.

П р и м е р 2. То же, что и в примере 1, при этом температура нагрева 1300^оС. В качестве РВ использовались микрообъемы гидрида титана с размерами в диапазоне 30-40 мкм. Предел прочности гидрида титана составляет σ_пр 0,1 ГПа, что обеспечивает механическую прочность микрообъемов в рассматриваемом рабочем режиме.

Приведенные примеры показывают, что осуществление способа с использованием всех предлагаемых мероприятий и условий их проведения гарантирует рабочие параметры ЭУ, обеспечивающие экономию материалов: РВ, водорода, а также согласование ритма генерации водорода с динамической нагрузкой ЭУ, снижение инерционности процесса генерирования по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, включающий зарядку загрузочной емкости рабочим водородсодержащим веществом, перемещение рабочего вещества в зону генерации и его подогрев, подачу генерированного водорода в энергетическую установку, удаление отработанного вещества из зоны генерации в выпускной бак, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют механически прочные в режиме эксплуатации микрообъемы одной из фракций в диапазоне размеров 10-300 мкм, предварительно насыщенные водородом при давлении до 0,2 ГПа, которые подают и пропускают через зону генерации непрерывно путем последовательного щлюзования операционных порций рабочего вещества, подогрев которого осуществляют в системе каналов зоны генерации, контактирующих со стенками тепловых камер энергетической установки, от 500^oС до температуры, при которой фактическая динамическая нагрузка на микрообъемы соответствует пределу их механической прочности, причем согласуют ритм подачи рабочего вещества через зону генерации с динамической нагрузкой энергетической установки автоматически.

РИСУНКИ

Рисунок 1