Пассивный автокаталический рекомбинатор водорода и кислорода с боковым забором водород-воздушной газовой смеси

Заявленное изобретение относится к устройству для обеспечения водородной безопасности и может быть использовано для предотвращения скопления пожаро- и взрывоопасного водорода в помещениях, в частности, при утечках водорода, например, из системы охлаждения генераторов электростанций, в хранилищах водорода, при хранении ядерных отходов, при высокотемпературных коррозионных процессах, при авариях на атомных электростанциях и других промышленных объектах. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода содержит центральный вертикальный стволовой короб (1) с присоединенными к нему боковыми рукавами (2), в каждом из которых помещена по меньшей мере одна сборка каталитических элементов (3). В заявленном устройстве каждый боковой рукав (2) выполнен с открытыми торцами (2.1), (2.2) и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру поперечного сечения рукава (2). При этом каждая сборка каталитических элементов (3) расположена в боковом рукаве (2) симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам соответственно (2.3) и (2.4). Боковые рукава расположены наклонно, под углом α=(20-80)°, к стволовому коробу (1). Техническим результатом является увеличение удельной производительности рекомбинатора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области водородной безопасности и может быть использовано для предотвращения скопления пожаро- и взрывоопасного водорода в помещениях, в частности, при утечках водорода, например, из системы охлаждения генераторов электростанций, в хранилищах водорода, при хранении ядерных отходов, при высокотемпературных коррозионных процессах, при авариях на атомных электростанциях (АЭС) и пр.

Уровень техники

Работа пассивного автокаталитического рекомбинатора водорода и кислорода (далее: «рекомбинатор») основана на протекании экзотермической реакции между водородом и кислородом воздуха:

$$H_2+\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.O_2\to H_{2}O\left(пар\right)+244,05кДж\text{ (1)}$$

Рекомбинатор обычно выполняется в виде вертикально расположенного полого корпуса, свободно сообщенного в своих верхнем и нижнем торцах с окружающей средой и с установленными в его нижней части каталитическими элементами (RU 52244, G21C 9/06, 2005 [1] аналог). В качестве активной части каталитического элемента (КЭ) используют металлы платиновой группы, чаще саму платину, дисперсно распределенные в пористом носителе КЭ, выполняемом из керамики, оксидов металлов, например, γ-Al₂O₃, пористой нержавеющей стали и других термо- и коррозионно-стойких материалов. При контакте водорода и кислорода с катализатором начинается автокаталитическая реакция (1), теплота которой создает внутри корпуса рекомбинатора восходящий конвективный поток, который при наличии водорода в окружающем пространстве постоянно поддерживает процесс его рекомбинации.

Вместе с тем, современные рекомбинаторы не в полной мере удовлетворяют запросы практики. Их совершенствование происходит в разных направлениях, в том числе и в направлении повышения удельной производительности, выражаемой скоростью удаления водорода, приходящейся на единицу площади сечения рекомбинатора. Дело в том, что современный рекомбинатор всасывает газовый поток через нижнее отверстие цилиндрического корпуса, где располагается и сборка КЭ (СКЭ). Высота СКЭ составляет обычно (120-150) мм, высота корпуса - порядка 1000 мм. Эти геометрические характеристики определяются двумя взаимосвязанными параметрами рекомбинатора: производительностью его СКЭ и гидравлическим сопротивлением газовому потоку как в самой СКЭ, так и на других участках пути потока вплоть до выходного патрубка с металлической сеткой, препятствующей распространению пламени и выходу из рекомбинатора раскаленных аэрозолей. Имеются две возможности увеличить производительность рекомбинатора путем увеличения объема вмещаемого им катализатора: по высоте и в поперечном сечении его корпуса. Но поскольку увеличение объема катализатора по высоте корпуса рекомбинатора ограничено гидравлическим сопротивлением СКЭ, допустимым в пределах максимум (120-150) мм вод. ст., на практике прибегают к увеличению площади сечения корпуса рекомбинатора. Кроме того, габариты рекомбинатора также ограничены производственными условиями и составляют обычно для одного рекомбинатора по ширине порядка 200 мм, а по высоте не более 1500 мм. Для экономии места рекомбинаторы обычно располагают на стенах помещения и на определенной высоте над уровнем его пола. Если бы не происходило резкое падение скорости конвективного потока, вызываемое гидравлическим сопротивлением СКЭ, то для увеличения производительности рекомбинатора можно было бы увеличивать заполнение катализатором корпуса рекомбинатора по высоте (высота производственных помещений, в частности, АЭС, составляет десятки метров).

Решить проблему ограниченной производительности рекомбинаторов можно, изменив классическую конструкцию его корпуса, обычно выполняемого в виде вертикальной трубы.

Известен рекомбинатор, содержащий центральный вертикальный стволовой короб с присоединенными к нему боковыми рукавами, в каждом из которых помещена по меньшей мере одна СКЭ (RU 113404, G21C 9/06, 2012 [2] - прототип). Согласно прототипу [2] боковые рукава рекомбинатора для образования входного заборного окна выполнены с открытой нижней продольной стенкой. При этом удаленный от стволового короба торец каждого бокового рукава закрыт полностью, ближний торец рукава, примыкающий к стволовому коробу, закрыт в нижней части со стороны СКЭ, а верхняя продольная стенка рукава выполнена с подъемом от его удаленного торца к ближнему торцу для организации в каждом рукаве движения газового потока вдоль СКЭ снизу вверх с последующим сбросом его в стволовой короб через проем над закрытой частью торца рукава, примыкающего к стволовому коробу.

Такое техническое решение не может обеспечить достаточно большого увеличения удельной производительности рекомбинатора из-за излишнего объема свободного пространства рукава над СКЭ, а также из-за дополнительного гидравлического сопротивления, создаваемого изменением направления газового потока над СКЭ перед его входом в стволовой короб.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является повышение удельной производительности рекомбинатора, а достигаемым техническим результатом - сведение к минимуму свободного пространства между СКЭ и стенками боковых рукавов стволового короба рекомбинатора.

Указанные задача и технический результат изобретения обеспечиваются тем, что в рекомбинаторе, содержащем центральный вертикальный стволовой короб с присоединенными к нему боковыми рукавами, в каждом из которых помещена по меньшей мере одна СКЭ, согласно изобретению каждый боковой рукав выполнен с открытыми торцами и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру поперечного сечения рукава, а каждая СКЭ расположена в боковом рукаве симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам. При этом боковые рукава предпочтительно расположены наклонно, под углом (20-80)° к стволовому коробу.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками изобретения и указанным техническим результатом состоит в том, что выполнение бокового рукава с открытыми торцами и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру его поперечного сечения, позволяет изменить направление движения в боковых рукавах газового потока с традиционного для рекомбинатора направления снизу вверх на направление вдоль оси рукава, перпендикулярно к его поперечному сечению. Движение газового потока вдоль оси рукава исключает необходимость в свободном пространстве над СКЭ, что создает возможность расположения их внутри рукава симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам, обеспечивая тем самым максимально плотное заполнение рукавов катализатором, что и является техническим результатом изобретения, позволяющим решить задачу увеличения удельной производительности рекомбинатора. Расположение боковых рукавов наклонно, под углом (20-80)°, к стволовому коробу предпочтительно, так как позволяет уменьшить габариты рекомбинатора и его гидравлическое сопротивление, связанное с поворотом газового потока при выходе из боковых рукавов в центральный стволовой короб.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически изображен рекомбинатор согласно прототипу [2]; на фиг.2 - то же согласно заявляемому изобретению; на фиг.3 - один из боковых рукавов рекомбинатора согласно заявляемому изобретению в аксонометрической проекции; на фиг.4 приведен график, характеризующий каталитическую активность рекомбинатора с боковыми рукавами согласно заявляемому изобретению в сравнении с каталитической активностью рекомбинатора с вертикальным движением газового потока относительно КЭ.

Подробное описание изобретения

Рекомбинатор содержит центральный вертикальный стволовой короб 1 с присоединенными к нему боковыми рукавами 2, в каждом из которых помещена по меньшей мере одна СКЭ 3 с КЭ 4. Согласно прототипу [2] боковые рукава 2 для образования входного заборного окна выполнены с открытой нижней продольной стенкой 2.1 (фиг.1). При этом удаленный от стволового короба 1 торец 2.2 каждого бокового рукава 2 закрыт полностью, ближний торец 2.3 рукава 2, примыкающий к стволовому коробу 1, закрыт в нижней части со стороны СКЭ 3, а верхняя продольная стенка 2.4 рукава 2 выполнена с подъемом от его удаленного торца 2.2 к ближнему торцу 2.3 для организации в каждом рукаве 2 движения газового потока вдоль СКЭ 3 снизу вверх с последующим сбросом его в стволовой короб 1 через проем 1.1 над закрытой частью торца 2.3 рукава 2, примыкающего к стволовому коробу 1. В отличие от прототипа [2] согласно заявляемому изобретению (фиг.2, 3) каждый боковой рукав 2 выполнен с открытыми торцами 2.2, 2.3 (фиг.2) и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру поперечного сечения рукава, а каждая СКЭ 3 расположена в боковом рукаве 2 симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам соответственно 2.1 и 2.4. Боковые рукава 2 для уменьшения габаритов рекомбинатора и снижения гидравлического сопротивления, связанного с поворотом газового потока при входе в стволовой короб 1, предпочтительно расположены наклонно, под углом α=(20-80)°, к стволовому коробу 1.

Как видно из фиг.2, 3 в рекомбинаторе согласно заявляемому изобретению отсутствует свободное пространство над СКЭ 3, поскольку КЭ 4 равномерно размещены (с необходимыми зазорами между ними) по всему объему боковых рукавов 2, чем и достигается увеличение удельной производительности рекомбинатора.

КЭ могут быть различной формы, предпочтительно с носителем из пористой нержавеющей стали или другого материала пластинчатой или цилиндрической формы, которая оказывает минимальное сопротивление обтекающему КЭ газовому потоку.

Работа рекомбинатора согласно изобретению принципиально не отличается от работы известных рекомбинаторов, описанной выше в разделе, посвященном предшествующему уровню техники, за исключением того, что движение газового потока внутри боковых рукавов 2 происходит не снизу вверх, как у всех известных ранее рекомбинаторов, а вдоль этих рукавов перпендикулярно их поперечному сечению, что в сочетании с перечисленными выше конструктивными отличительными признаками позволяет добиться отмеченного выше технического результата изобретения.

Промышленное использование изобретения

Были созданы и испытаны опытно-промышленные образцы рекомбинатора согласно изобретению модели РБК (рекомбинатор с катализатором в боковых рукавах), в частности, РБК-6, РБК-10, РБК-80, где цифры справа обозначают общее количество рукавов, примыкающих к стволовому коробу. На фиг.1 каталитическая активность рекомбинатора модели РБК демонстрируется зависимостью удельной производительности РБК от концентрации водорода в окружающей воздушной среде (кривая 1). Испытания проводились в камере объемом 550 л при непрерывной подаче газовой смеси. Температура в камере поддерживалась при 25°C. Для сравнения на том же графике представлена аналогичная зависимость для рекомбинатора с вертикальным движением газового потока относительно КЭ (кривая 2). Надо заметить, что оценка удельной производительности на единицу площади стволового короба оправдана не только для рекомбинатора шахтного типа, но и для РБК, габариты которого (включая размеры рукавов) несколько больше, чем площадь сечения его стволового короба. С увеличением высоты РБК и числа рукавов пропорционально растет производительность РБК при сохранении общих габаритов рекомбинатора в плане и по его ширине.

Для увеличения высоты РБК принципиальных препятствий практически нет, если не возникают проблемы, связанные с технологией изготовления или с пространством стен помещения. Сечение площади стволового короба для модели РБК-80 (по 40 рукавов с каждой стороны стволового короба) составляет 100×200 мм, высота - 1040 мм, а общие габариты (с рукавами) в плане составляют 200×300 мм.

1. Пассивный автокаталитический рекомбинатор водорода и кислорода, содержащий центральный вертикальный стволовой короб с присоединенными к нему боковыми рукавами, в каждом из которых помещена по меньшей мере одна сборка каталитических элементов, отличающийся тем, что каждый боковой рукав выполнен с открытыми торцами и параллельными продольными стенками, замкнутыми по всему периметру поперечного сечения рукава, а каждая сборка каталитических элементов расположена в боковом рукаве симметрично по отношению к его верхней и нижней продольным стенкам.

2. Пассивный автокаталитический рекомбинатор по п.1, отличающийся тем, что боковые рукава расположены наклонно, под углом (20-80)°, к стволовому коробу.