ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 2006 года по МПК H01M8/06 B63G8/08 

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с кислородо-водородными топливными элементами и может использоваться в составе ЭУ подводных аппаратов (ПА).

Известны воздухонезависимые ЭУ ПА с ЭХГ, работающие на криогенном водород [1] и на водороде, содержащемся в интерметаллидных соединениях (ИМС) [2]. Недостатком "криогенного" варианта такой ЭУ является высокая стоимость жидкого водорода и большие его потери при перевозках, что ограничивает срок его хранения на борту ПА. Кроме того, наличие на борту большого количества свободного водорода обуславливает большую взрывоопасность системы энергопитания ПА.

Энергоустановка с хранением водорода в ИМС также имеет ограниченный ресурс по длительности скрытного плавания ПА. Кроме того, ИМС дороги, имеют ограниченный ресурс работы и требуют специальной системы тероморегулирования. Для хранения значительного количества водорода требуется очень большое количество ИМС, что ухудшает объемно-весовые характеристики ПА в целом.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является ЭУ подводной лодки [3], принятая за прототип.Эта ЭУ содержит кислородо-водородный ЭХГ, компонентами топлива которого являются криогенный кислород и водород, получаемый гидролизом алюминия в водном растворе едкого натра.

Кроме ЭХГ ЭУ содержит соединенный с ним накопитель водорода с интерметаллидными соединениями (ИМС), блок хранения криогенного кислорода, цистерну с дистиллированной водой, бункер для щелочного алюминия, цистерну для щелочного раствора и для жидких продуктов реакции. Кроме того, ЭУ включает в себя химический реактор, где генерируется водород и блок газовой очистки, которая проводится перед его подачей в ЭХГ.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее.

1. Загрузка химического реактора измельченным алюминием и щелочным раствором проводится из общего дозатора, что в реальных условиях неизбежно приведет к контакту реагентов до их попадания в химреактор, а это в свою очередь - к выделению там водорода. Последнее недопустимо с точки зрения пожаровзрывобезопасности, поскольку несмотря на вакуумирование ЭУ кислород там будет присутствовать либо из-за негерметичности кислородной арматуры, либо негерметичности самого отсека ЭУ, так как длительная герметизация больших объемов на практике затруднительна и требует значительных и регулярных энергозатрат.

2. Применение одного и того же агрегата для дозирования как сыпучих тел, так и жидкости в принципе проблематично, особенно если ресурс агрегата должен быть большим.

3. Применение в накопителе водорода ИМС требует использования системы терморегулирования ИМС, что усложняет конструкцию ЭУ и режим ее работы, требует дополнительных энергозатрат и снижает быстродействие накопителя водорода.

4. В прототипе не регулируется начальная температура реагентов, хотя известно, что она сильно влияет на скорость реакции гидролиза. Таким образом, выход на режим химического реактора является неуправляемым процессом, что затрудняет функционирование энергоустановки.

5. В процессе плавания ПА обычно происходит захолаживание отработанного раствора. Вязкость его возрастает на два порядка, в связи с чем после плавания возникают проблемы с откачкой отработки из емкости ЭУ.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка устройства, свободного от перечисленных недостатков, а именно:

- конструкция ЭУ должна обеспечивать повышенное быстродействие в обеспечении ЭХГ водородом и не требовать при этом дополнительных энергозатрат;

- должна регулироваться длительность пускового режима химического реактора с тем, чтобы обеспечить необходимое время наполнения ресивера водорода;

- должна обеспечиваться повышенная пожаровзрывобезопасность при работе ЭУ;

- должен быть облегчен процесс удаления жидких продуктов реакции из емкости после окончания плавания ПА.

Задача решается тем, что в состав энергоустановки подводного аппарата, содержащей химический реактор, соединенный с накопителем водорода через блок газовой очистки, электрохимический генератор, пневматически связанный с блоком хранения криогенного кислорода и с накопителем водорода, а гидравлически связанный с емкостью для дистиллированной воды, бункер для измельченного алюминия, сообщенный через дозатор сыпучих материалов с химическим реактором; емкость для сбора жидких продуктов реакции, сообщающуюся с химическим реактором, и емкость со щелочным раствором, введен жидкостной смеситель с нагревателем и датчиком уровня жидкости, сообщающийся с химическим реактором, при этом жидкостной смеситель соединен с емкостью со щелочным раствором и с емкостью для дистиллированной воды, а в емкости для сбора жидких продуктов реакции установлен теплообменник-нагреватель.

Кроме того, накопитель водорода установлен вместе с электрохимическим генератором в герметичном объеме, оборудованном системой пожаровзрывопредупреждения.

Суть предложения состоит в том, что для повышения быстродействия ЭУ проводят предварительный разогрев щелочного раствора, что обеспечивает ускоренное подачу водорода в ЭХГ. Длительность пуска реактора регулируется при этом температурой предварительного нагрева жидких реагентов в жидкостном смесителе.

Баллон (ресивер) размещается вместе с ЭХГ в герметичном объеме. Это позволяет локализовать "водородные" агрегаты ЭУ и обслуживать их общей системой пожаровзрывопредупреждения, включающей подсистему вентиляции.

Дозировка жидкости производится по показаниям датчика уровня жидкости, установленного в жидкостном смесителе (11). Предварительный нагрев раствора в смесителе позволяет в широком диапазоне менять время выхода реактора на режим, т.е. повысить управляемость и быстродействие процесса выработки водорода.

Помимо этого, в предлагаемом решении можно нагревать отработанный раствор перед опорожнением емкостей для сбора жидких продуктов реакции.

В этом случае можно не собирать компоненты при продувках ЭХГ, а просто их дожечь. Это значительно упрощает конструкцию и исключает необходимость в компрессоре водорода. Сыпучий материал (измельченный алюминий) и жидкости (раствор щелочи и вода) дозируются раздельно, в разных устройствах. В контакт они вступают только в реакторе, что исключает возможность выхода водорода в объем отсека ЭУ. Таким образом, исчезает необходимость герметизировать всю ЭУ, удалять из нее воздух и следить за натеканием воздуха в отсек ЭУ

Блок - схема ЭУ дана на чертеже, где обозначено:

1 - химический реактор;

2 - блок газовой очистки;

3 - накопитель водорода;

4 - ЭХГ;

5 - блок хранения криогенного кислорода с газификатором;

6 - емкость для дистиллированной воды;

7 - бункер для измельченного алюминия;

8 - дозатор сыпучих материалов;

9 - емкость со щелочным раствором;

10 - емкость для сбора жидких продуктов реакции;

11 - жидкостный смеситель;

12 - нагреватель;

13 - теплообменник-нагреватель;

14 - герметичный объем;

15 - система пожаровзрывопредупреждения;

16 - датчик уровня жидкости;

17-19 - соединительные магистрали ЭХГ.

Соединительные магистрали (17-19) ЭХГ (4) сообщают последний с блоком хранения криогенного кислорода с газификатором (5), с накопителем водорода (3) и емкостью для дистиллированной воды (6). Накопитель водорода (3) и ЭХГ (4) установлены при этом в герметичном объеме (14), оборудованном системой пожаровзрывопредупреждения (15).

Накопитель водорода (3) сообщается с химическим реактором (1) через блок газовой очистки (2), где водород отделяется от остатков жидкости и газовых примесей, поступающих из химического реактора (1). Последний соединен с бункером для измельченного алюминия (7) через дозатор сыпучих материалов (8). Кроме того, химический реактор (1) подключен к жидкостному смесителю (11) с нагревателем (12) и датчиком уровня жидкости (16). Жидкостной смеситель (11) в свою очередь соединяется с емкостью со щелочным раствором (9). Химический же реактор (1) сообщается с емкостью для сбора жидких продуктов реакции (10), в которой установлен теплообменник-нагреватель (13).

Работает энергоустановка следующим образом. Измельченный алюминий из бункера (7) дозируется в дозаторе сыпучих материалов (8) и засыпается в химический реактор (1). Затем в жидкостной смеситель (11) поочередно заливают раствор щелочи из емкости со щелочным раствором (9) и воды из емкости для сбора дистиллированной воды (10). Количество жидкостей контролируется при этом по датчику уровня жидкости (16). После нагревания жидкой смеси до необходимой температуры нагревателем (12) жидкость перепускается в химический реактор (1), и начинается выделение водорода, который через блок газовой очистки (2) направляется в накопитель водорода (3), и далее - в ЭХГ (4). Порядок загрузки химического реактора может быть и обратным: сначала - жидкость, а затем - алюминий.

После окончания цикла работы химического реактора (1) отработка сливается в емкость (10) для сбора жидких продуктов реакции, которая оборудована теплообменником-нагревателем (13). Последний используется для нагревания отработанного раствора при его откачке.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить быстродействие в обеспечении ЭХГ водородом, а также влиять на время запуска химического реактора. Оба эти фактора повышают управляемость процесса генерирования водорода на борту ПА.

Кроме того, данное решение позволяет повысить степень пожаровзрывобезопасности при работе ЭУ, отказаться от ее общей герметизации, снизить необходимые для этого энергозатраты.

Литература

1. А.А.Постнов "Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами". Санкт-Петербург, Судостроение, 1998, 2, стр.28.

2. А.Н.Батарев и др. "Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран" Санкт-Петербург, Судостроение, 1994, стр.236.

3. "Энергетическая установка подводной лодки". Пат. RU №2181331, B 63 G 8/08, 2002 г.

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с кислородо-водородными топливными элементами и может использоваться в составе ЭУ подводных аппаратов (ПА). Согласно изобретению ЭУ подводного аппарата содержит химический реактор, соединенный с накопителем водорода через блок газовой очистки, ЭХГ, пневматически связанный с блоком хранения криогенного кислорода и с накопителем водорода, а гидравлически связанный с емкостью для дистиллированной воды, бункер для измельченного алюминия, сообщенный через дозатор сыпучих материалов с химическим реактором; емкость для сбора жидких продуктов реакции, сообщающуюся с химическим реактором; емкость со щелочным раствором, при этом накопитель водорода выполнен в виде герметичного газового баллона, а в состав ЭУ введен жидкостной смеситель с нагревателем и датчиком уровня жидкости, сообщающийся с химическим реактором, при этом жидкостной смеситель соединен с емкостью со щелочным раствором и с емкостью для дистиллированной воды, а в емкости для сбора жидких продуктов реакции установлен теплообменник-нагреватель. Накопитель водорода может быть установлен вместе с ЭХГ в герметичном объеме, оборудованном системой пожаровзрывопредупреждения. Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия в обеспечении ЭХГ водородом, а также регулирование времени запуска химического реактора. Оба эти фактора повышают управляемость процесса генерирования водорода на борту ПА. Кроме того, повышается степень пожаровзрывобезопасности при работе ЭУ. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка подводного аппарата с электрохимическим генератором, содержащая химический реактор, соединенный с накопителем водорода через блок газовой очистки, электрохимический генератор, пневматически связанный с блоком хранения криогенного кислорода и с накопителем водорода, а гидравлически связанный с емкостью для дистиллированной воды, бункер для измельченного алюминия, сообщенный через дозатор сыпучих материалов с химическим реактором; емкость для сбора жидких продуктов реакции, сообщающуюся с химическим реактором; емкость со щелочным раствором, отличающаяся тем, что в состав энергоустановки введен жидкостной смеситель с нагревателем и датчиком уровня жидкости, сообщающийся с химическим реактором, при этом жидкостной смеситель соединен с емкостью со щелочным раствором и с емкостью для дистиллированной воды, а в емкости для сбора жидких продуктов реакции установлен теплообменник-нагреватель.2. Энергетическая установка подводного аппарата по п.1, отличающаяся тем, что накопитель водорода установлен вместе с электрохимическим генератором в герметичном объеме, оборудованном системой пожаровзрывопредупреждения.