ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F01K25/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике для электропитания объектов и предназначено для преобразования имеющейся тепловой энергии, например, из геотермальных природных источников в электрическую энергию.

Известна энергетическая установка, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления, содержащая сепаратор первичный для разделения текучей среды по двум каналам, а именно: один - пар высокого давления, другой - жидкость высокого давления, первичную паровую турбину в паровом канале, вторичный сепаратор, первичный теплообменник, конденсатор-испаритель, паровую турбину низкого давления, турбину органического пара, конденсатор, подогреватель, насос, систему трубопроводов (см. патент RU №2126098, МПК F 03 G 4/06, F 01 K 23/04, опублик. 10.02.1999 в БИ №4). Недостатком известного устройства является сложность и громоздкость конструкции, высокие удельные затраты получаемой электроэнергии.

Известна энергетическая установка, состоящая из теплообменников, камеры сгорания, термодатчиков, солнечного коллектора, конденсатора, системы трубопроводов, системы водоснабжения, вакуумного насоса, блока управления, двигателя с электрогенератором, аккумулятора (см. патент RU №2227959, МПК H 02 N 6/00, 10/00, опублик. 27.04.2004 в Бюл. №12). Рабочим телом является вода. Описанная энергетическая установка позволяет снизить удельные затраты получаемой электроэнергии путем совместного (комплексного) использования тепловой энергии естественных источников тепла - солнечной энергии, геотермальных источников, тепловой энергии от сжигания любого местного топлива, от внешнего источника энергоснабжения при помощи электрического нагревателя, однако имеет сложную конструкцию, требует установки дополнительных устройств, работает при температуре теплоносителя не ниже +65°...+70°С и при этом обладает низкой генерирующей мощностью.

Известна принятая за аналог установка (см. описание к заявке JP №59-78907, МПК С 01 В 3/56, B 01 D 53/14, опубл. 08.05.84), содержащая баллон с водородом высокого давления, два однотипные термосорбционные аккумуляторы водорода, каждый из которых содержит цилиндрическую оболочку, внутри которой встроены теплообменник и коаксиально расположенный газосборник в виде трубки с выводом, связанный с баллоном системой газопроводов с регулирующими клапанами, систему прокачки теплоносителя с насосом, при этом пространство между цилиндрической оболочкой, газосборником и теплообменником заполнено сплавом металлов - обратимыми металлогидридами (например, сплавом TiMn), которые при охлаждении поглощают водород, а при нагреве разлагаются на интерметаллиды и водород с повышенным давлением. Рабочим телом является водород. Описанная установка является экономичной, однако, не способна обеспечить получение электрической энергии высокой генерирующей мощности.

Известна принятая за прототип установка (см. патент US 6128904, МПК F 01 K 25/06, 10.10.2000), содержащая не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода с теплообменниками, связанных через систему газосборников с пневмодвигателем, в прямом и обратном направлениях, при этом термосорбционные аккумуляторы водорода содержат цилиндрическую оболочку, металлогидриды, фильтры. Теплообменники встроены внутри термосорбционных аккумуляторов водорода. Описанная установка является экономичной, экологически чистой, так как рабочим телом является водород, однако, служит для преобразования электрической энергии в механическую работу и не способна обеспечить получение электрической энергии высокой генерирующей мощности от имеющегося в данной местности источника тепла (теплоносителя).

Задачей данного изобретения является получение электрической энергии высокой генерирующей мощности от имеющегося в данной местности теплоносителя низкого потенциала с температурой порядка +30°...+100°С.

Ожидаемый технический результат заключается в значительном повышении коэффициента использования тепла, в компактности установки, простоте обслуживания, при этом энергетическая установка рассчитана на длительную работу без внешнего вмешательства в режиме гидрирования - дегидрирования в интервале давления 5-100 атм.

Поставленная задача решается следующим образом. Энергетическая установка содержит не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода с теплообменниками, связанными с системой подачи теплоносителя, и газосборниками, связанными через систему газопроводов с пневмодвигателем в прямом и обратном направлениях, причем газосборники выполнены в виде трубок с пористыми стенками из металлической сетки, при этом сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм размером ячейки 0,01 мм.

Во втором варианте исполнения задача решается следующим образом. Энергетическая установка содержит не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода с теплообменниками, связанными с системой подачи теплоносителя, и газосборниками, связанными через систему газопроводов с двигателем в прямом и обратном направлениях, причем газосборники выполнены в виде трубок с пористыми стенками из металлической сетки, а двигатель выполнен в виде гидродвигателя с гидроаккумуляторами. При этом сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм размером ячейки 0,01 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображен модуль энергетической установки с пневмодвигателем, на фиг.2 - модуль энергетической установки с гидродвигателем, на фиг.3 - энергетическая установка с несколькими модулями с пневмодвигателем, на фиг.4 - энергетическая установка с несколькими модулями с гидродвигателем; на фиг.5 - вариант исполнения термосорбционного аккумулятора водорода.

В первом варианте исполнения энергетическая установка включает электрогенератор 1, пневмодвигатель 2 и не менее двух однотипных термосорбционных аккумуляторов водорода 3, систему газопроводов, включающую газопроводы 4а, 4б, работающие в прямом направлении, и газопроводы 5а, 5б, работающие в обратном направлении, систему подачи 6 охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя и систему отвода 7 охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя. Термосорбционный аккумулятор водорода 3 коаксиально и герметично встроен внутри теплообменника 8 и состоит из цилиндрической оболочки 9 с коаксиально расположенным внутри газосборником 10 в виде трубки и через выводы 11 соединен с газосборником 10 другого термосорбционного аккумулятора водорода 3 системой газопроводов 4а, 4б, 5а, 5б с пневмодвигателем 2. Пространство 12 заполнено порошкообразным металлогидридом (LaNi₅, FeTi и т.д.). При этом теплообменник 8 выполнен в форме цилиндрического сосуда, в котором может быть расположено несколько термосорбционных аккумуляторов водорода 3, и подключен к системе подачи 6 охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя через входной патрубок 13 и системе отвода 7 через выходной патрубок 14. Вывод 11 выполнен через торец цилиндрической оболочки 9 и стенки теплообменника 8. Система газопроводов 4а, 4б связывает выводы 11 первого и второго термосорбционных аккумулятора водорода 3 через пневмодвигатель 2 в одном направлении, а система газопроводов 5а, 5б в обратном направлении.

Газосборник 10 выполнен с пористыми, проницаемыми для водорода (диаметром пор 1-5 мкм) стенками, но препятствующими проникновению твердых частиц металлогидрида, например, из металлической сетки с фильтром (не показано). Сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм размером ячейки 0,01 мм. Все конструктивные элементы теплообменника 8 и термосорбционного аккумулятора водорода 3 изготовлены из нержавеющей стали. Элементы теплообменника 8 и термосорбционного аккумулятора водорода 3, участвующие в теплообмене, могут быть выполнены с ребрами и/или перегородками для лучшего теплообмена.

Работает устройство следующим образом. Через входной патрубок 13 (см. фиг.1) в первый теплообменник 8 (справа) поступает нагревающий теплоноситель, например вода, из геотермального источника (Т=+60°С) и нагревает находящийся в пространстве 12 металлогидрид. При использовании специально подобранного сплава металлов десорбция водорода осуществляется уже при 30-50°С. Одновременно во второй теплообменник 8 (слева) через входной патрубок 13 поступает охлаждающий теплоноситель с температурой, например, Т=+15°С. В результате в первом термосорбционном аккумуляторе водорода 3 выделяется чистый водород, создавая давление порядка 50-100 атм (зависит от температуры нагрева), и через вывод 11 по газопроводу 4а с регулирующим клапаном 15 поступает в пневмодвигатель 2, вращающий электрогенератор 1, вырабатывающий электроэнергию, затем из пневмодвигателя 2 по газопроводу 4б через регулирующий клапан 16 под давлением порядка 5 атм вытесняет водород в газосборник 10 второго термосорбционного аккумулятора водорода 3, где охлажденный интерметаллид поглощает водород, образуя металлогидрид. После завершения этого процесса нагревающий теплоноситель поступает во второй теплообменник 8 (слева) и нагревает образовавшийся в пространстве 12 металлогидрид, который разлагается на интерметаллид и водород с повышенным давлением. Одновременно в первый теплообменник 8 через входной патрубок 13 поступает охлаждающий теплоноситель. В результате теперь уже во втором теплообменнике 8 выделяется чистый водород, создавая давление порядка 50-100 атм, который из газосборника 10 по газопроводу 5а с регулирующим клапаном 16 поступает в пневмодвигатель 2, вращающий электрогенератор 1, затем из пневмодвигателя 2 по газопроводу 5б через регулирующий клапан 15 под давлением порядка 5 атм вытесняет водород в газосборник 10 первого термосорбционного аккумулятора водорода 3, где охлажденный интерметаллид сорбирует поступающий под давлением водород. Вращение пневмодвигателя 2 передается ротору электрогенератора 1, который вырабатывает электрическую энергию. На этом завершается полный цикл работы одного модуля энергетической установки. При повторе цикла энергетическая установка продолжает вырабатывать электрическую энергию, которую аккумулируют и/или передают потребителю. Для получения электрической энергии более высокой генерирующей мощности возможно использовать в энергетической установке группу описанных выше модулей (см. фиг.3).

Во втором варианте исполнения (см. фиг.2) энергетическая установка включает электрогенератор 1, гидродвигатель 17 и не менее двух однотипных термосорбционных аккумуляторов водорода 3 и гидроаккумуляторов 18, систему газопроводов, включающую газопроводы 4а, 4б для работы в прямом направлении и газопроводы 5а, 5б для работы в обратном направлении, систему трубопроводов 19а, 19б, 20а, 20б, систему подачи 6 охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя и систему отвода 7. Термосорбционный аккумулятор водорода 3 коаксиально и герметично встроен внутри теплообменника 8 и состоит из цилиндрической оболочки 9 с коаксиально расположенным внутри газосборником 10 в виде трубки, соединенным с газосборником 10 другого термосорбционного аккумулятора водорода 3 через выводы 11, состыкованные между собой газопроводами 4а, 4б через гидроаккумуляторы 18, далее через гидродвигатель 17 в одном направлении трубопроводами 19а, 19б и газопроводами 5а, 5б, через гидроаккумуляторы 18, далее через гидродвигатель 17 трубопроводами 20а, 20б в обратном направлении. Пространство 12 заполнено порошкообразным металлогидридом (LaNi₅, FeTi и т.д.). При этом теплообменник 8 выполнен в форме цилиндрического сосуда, в котором может быть расположено несколько термосорбционных аккумуляторов водорода 3, и подключен к системе подачи 6 охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя через входной патрубок 13 и системе отвода 7 через выходной патрубок 14. Вывод 11 выполнен через торец цилиндрической оболочки 9 и стенки теплообменника 8.

Газосборник 10 выполнен с пористыми, проницаемыми для водорода (диаметром пор 1-5 мкм) стенками, но препятствующими проникновению твердых частиц металлогидрида, например из металлической сетки с фильтром (не показано). Сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм, размером ячейки 0,01 мм. Все конструктивные элементы теплообменника 8 и термосорбционного аккумулятора водорода 3 изготовлены из нержавеющей стали. Элементы теплообменника 8 и термосорбционного аккумулятора водорода 3, участвующие в теплообмене, могут быть выполнены с ребрами и/или перегородками для лучшего теплообмена. В качестве гидроакумуляторов 18 используют поршневые или мембранные гидроаккумуляторы.

Устройство работает следующим образом. Через входной патрубок 13 (см. фиг.2) в первый теплообменник 8 (справа) поступает нагревающий теплоноситель, например вода, из геотермального источника (Т=+60°С) и нагревает находящийся в пространстве 12 металлогидрид. При использовании специально подобранного сплава металлов десорбция водорода осуществляется уже при 30-50°С. Одновременно во второй теплообменник 8 (слева) через входной патрубок 13 поступает охлаждающий теплоноситель с температурой, например, Т=+15°С. В результате в первом термосорбционном аккумуляторе водорода 3 выделяется чистый водород, создавая давление порядка 50-100 атм (зависит от температуры нагрева), который из газосборника 10 по газопроводу 4а с регулирующим клапаном 15 поступает в гидроаккумулятор 18, давит на поршень 21, выдавливая масло, которое по трубопроводу 19а под давлением поступает в гидродвигатель 17, вращая электрогенератор 1, затем из гидродвигателя 17 по трубопроводу 19б поступает во второй гидроаккумулятор 18, давит на поршень 21, вытесняя находящийся в гидроаккумуляторе 18 и газопроводе 4б водород через регулирующий клапан 16 в газосборник 10, из которого поглощается охлажденным интерметаллидом. После завершения этого процесса нагревающий теплоноситель поступает во второй теплообменник 8 (слева) через входной патрубок 13 и нагревает в пространстве 12 образовавшийся металлогидрид, который разлагается на интерметаллид и водород с повышенным давлением. Одновременно в первый теплообменник 8 через входной патрубок 13 поступает охлаждающий теплоноситель. В результате теперь уже во втором теплообменнике 8 выделяется чистый водород, создавая давление порядка 50-100 атм, который из газосборника 10 по газопроводу 5а с регулирующим клапаном 16 поступает в гидроаккумулятор 18, давит на поршень 21, выдавливая масло, которое по трубопроводу 20а под давлением поступает в гидродвигатель 17, вращая электрогенератор 1, затем из гидродвигателя 17 по трубопроводу 20б поступает в гидроаккумулятор 18 (справа) и давит на поршень 21, вытесняя находящийся в гидроаккумуляторе 18 и газопроводе 5б водород через регулирующий клапан 15 в газосборник 10, из которого поглощается охлажденным интерметаллидом.

На этом завершается полный цикл работы одного модуля энергетической установки. При повторе цикла энергетическая установка продолжает вырабатывать электрическую энергию, которая аккумулируется и/или передается потребителю. Для получения электрической энергии более высокой генерирующей мощности возможно использовать в энергетической установке группу описанных выше модулей (см. фиг.4).

В случае возможного использования атмосферного воздуха и/или солнечной энергии как теплоносителя (см. фиг.5) теплообменник 8 встроен внутри термосорбционного аккумулятора водорода 3 и выполнен в виде трубки.

Пример. Энергетическая установка (два модуля) из четырех блоков термосорбционного аккумулятора водорода АВС-100 (1 блок - 150 кг, габариты - 460×1200×280 мм) при использовании охлаждающего теплоносителя - воды при температуре Т=+20°С и нагревающего теплоносителя при температуре Т=+70°С, гидроаккумудяторов объемом 2 м³ на 50 атм. за 1 час работы вырабатывает 5 кВт.

В предложенной энергетической установке оптимально решена задача преобразования первичной энергии в электрическую энергию. В качестве альтернативы традиционным видам топлива используется водород как не расходуемый энергоноситель. При этом прямая связь между давлением водорода и температурой позволяет создать компактные энергетические установки. Представленное устройство, работающее с использованием термосорбционного сжатия водорода на основе обратимых металлогидридов, является экономичным и эффективным, так как водород, являясь рабочим телом, не расходуется в процессе работы и энергетическая установка нуждается только в источнике тепловой энергии, позволяя получать при этом электрическую энергию любой заданной генерирующей мощности при использовании тепла любых имеющихся в данной местности экологически чистых природных источников тепла без применения дополнительных средств и стадий превращения тепла в электрическую энергию.

Изобретение относится к теплоэнергетике. Энергетическая установка в первом варианте исполнения содержит термосорбционные аккумуляторы водорода, заполненные порошкообразным металлогидридом, систему газопроводов, систему подачи теплоносителя, при этом термосорбционный аккумулятор водорода содержит теплообменник, расположенный внутри газосборник в виде трубки с выводом, соединенный системой газопроводов с газосборником другого термосорбционного аккумулятора водорода, причем содержит не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода, пневмодвигатель, систему подачи охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя, систему отвода охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя, при этом газосборники связаны между собой системой газопроводов с пневмодвигателем в прямом и обратном направлениях, теплообменник подключен к системе подачи и к системе отвода охлаждающего и/или нагревающего теплоносителя. Во втором варианте исполнения энергетическая установка содержит гидродвигатель. Изобретение позволяет повысить коэффициент использования тепла, обеспечить компактность установки и упростить обслуживание, при этом энергетическая установка рассчитана на длительную работу без внешнего вмешательства в режиме гидрирования - дегидрирования. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Энергетическая установка, содержащая не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода с теплообменниками, связанными с системой подачи теплоносителя, и газосборниками, связанными через систему газопроводов с пневмодвигателем в прямом и обратном направлении, отличающаяся тем, что газосборники выполнены в виде трубок с пористыми стенками из металлической сетки.2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм, размером ячейки 0,01 мм.3. Энергетическая установка, содержащая не менее двух термосорбционных аккумуляторов водорода с теплообменниками, связанными с системой подачи теплоносителя, и газосборниками, связанными через систему газопроводов с двигателем в прямом и обратном направлении, отличающаяся тем, что газосборники выполнены в виде трубок с пористыми стенками из металлической сетки, а двигатель выполнен в виде гидродвигателя с гидроаккумуляторами.4. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что сетка выполнена из нержавеющей проволоки диаметром 0,04 мм, размером ячейки 0,01 мм.