ХИМИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2008 года по МПК C09K5/12 C09K5/16 

Изобретение относится к транспортным энергоустановкам, а более конкретно к автономным тепловым энергоисточникам, предназначенным для работы в различных средах, в особенности для автотранспортных средств, что позволит обеспечить их экологичность.

Известен способ по патенту РФ №2181185, 24.04.2000 г, по которому группа экзотермических реакций СаО с CO₂ и Li₂O с СО₂ обеспечивают работу автономных энергоустановок [1].

Известна также система с двигателем Стерлинга и сжиганием жидкого металла (Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стерлинга. М.: Мир, 1986, стр.390-391) [2]. Эта конструкция принята за прототип. Работа указанной системы основана на экзотермической реакции между литием и шестифтористой серой:

8Li+SF₆→6LiF+Li₂S-Q

Литий находится в камере сгорания (рис.5.5 [2]), заполняя ее в твердом виде лишь частично. Жидкая шестифтористая сера до ввода в камеру сгорания хранится в отдельной емкости. При комнатной температуре давление пара шестифтористой серы составляет примерно 2 МПа. Это давление используется для подачи реагента через форсунку. Литий перед реакцией находится в расплавленном виде, что нетрудно обеспечить, поскольку точка плавления лития составляет всего 179°С. Для инициирования реакции можно воспользоваться либо пиротехническим, либо электрическим нагревателем. Продукты реакции также являются расплавами и из-за особенностей исходной смеси лития и шестифтористой серы занимают почти тот же объем, что и исходные топливные реагенты. Это выгодно для многих применений, особенно для подводной энергетической системы.

Технический результат в указанной системе с двигателем Стерлинга и сжиганием лития не достигается, так как реакция между литием и шестифтористой серой, отличаясь высоким энерговыделением, является в тоже время необратимой. Вследствие этого для перезагрузки топлива конструкция [2] требует разборки в заводских условиях.

Задача изобретения - создание неразборного химического тепловыделяющего элемента, способного работать в замкнутой системе с возможной высокой теплоотдачей.

Данный технический результат достигается тем, что в химическом тепловыделяющем элементе, содержащем объем для хранения, частично заполненный литием, реакционный объем, в котором возможно осуществление экзотермического процесса между литием и водородом и обратного указанному процессу регенерации исходных компонентов из наработанного гидрида лития, а также объем для накопления гидрида лития и отверстия или каналы для дозированной подачи (отвода) водорода. Указанные объемы выполнены в виде единого объема, образованного оболочкой произвольной формы, которая снабжена произвольно размещенными каналами для циркуляции теплоносителя.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

фиг.1 - химический тепловыделяющий элемент в рабочем состоянии,

фиг.2 - химический тепловыделяющий элемент в процессе регенерации.

Химический тепловыделяющий элемент (далее - хим. ТВЭЛ) 1 смонтирован, например, в полом корпусе 2, внутри которого образован реакционный объем 3. Корпус 2 в целях технологичности можно снабдить днищами 4. Корпус 2 имеет произвольную форму. Реакционный объем 3 частично заполнен жидким литием 5 и расплавом гидрида лития 6. С корпусом 2 герметично соединена трубка 7, снабженная каналом 8, по которому в реакционный объем 3 может поступать (отводиться) водород 9. Для дозирования возможной подачи водорода 9 служит дроссель или любой другой регулятор расхода газа 10. Внешняя или любая другая теплообменная поверхность корпуса 2 (например, размещенная внутри объема 3 корпуса 2) может быть выполнена токопроводящей или покрыта токопроводящим слоем 11. Хим. ТВЭЛ размещен во внешней оболочке 12, которая может также быть размещена внутри объема 3 корпуса 2, т.е. находиться непосредственно в реакционном объеме 3. Через оболочку 12 к токопроводящему слою 11 посредством токопровода 13 подведено напряжение (постоянный или переменный ток). По зазору 14 внутри оболочки 12 возможна циркуляция любого теплоносителя 15.

Работа химического тепловыделяющего элемента начинается с запуска реакции

которая осуществляется посредством подачи водорода 9 под избыточным давлением около 0,2 МПа в единый объем 3. При этом литий, частично занимающий единый объем 3, уже переведен в жидкое агрегатное состояние и нагрет до температуры не менее 500°С. В результате в объеме 3 начинается реакция гидрирования с образованием гидрида лития 6 в жидкой фазе при температуре 700°С. Возможная диссоциация LiH 6 предотвращается созданием некоторого избыточного давления водорода 9. Возможна конструкция хим. ТВЭЛа, работоспособность которого не зависит от его ориентации в пространстве. Возможное нагнетание водорода 9 по объему регулируется дросселем 10. Благодаря этому обеспечивается выделение необходимого количества теплоты в единицу времени, которая передается теплоносителю 15. Последний циркулирует по зазору 14 между корпусом 2 хим. ТВЭЛа 1 и оболочкой 12. Корпус 2 может иметь радиатор соответствующей формы для интенсификации теплообмена. Температура теплоносителя составляет 750...900°С (температура плавления гидрида лития 680°С), что позволяет обеспечить эффективную работу двигателя с внешним подводом теплоты, функционирующим по заданному тепловому циклу.

Для регенерации после выработки всего запаса лития 5 к хим. ТВЭЛу 1 осуществляется подвод теплоты. Этот процесс многовариантен. Например, на токопроводы 13 подается напряжение, которое обеспечивает подогрев гидрида лития до 750...850°С (за счет омического сопротивления или токами Фуко, так как гидрид лития электропроводен в жидкой фазе). Можно также прокачивать подогретый теплоноситель 15, который будет отдавать тепло гидриду лития 6, вследствие чего последний диссоциирует на исходные компоненты согласно эндотермической реакции

Для стабильного протекания диссоциации, образовавшийся в ходе последней реакции водород 9 откачивается в предназначенную для этого емкость (не показана), обеспечивая разрежение в едином объеме 5, менее 0,05...0,02 МПа (давление водорода 9 в процессе диссоциации гидрида лития 6 при 850°С составляет 0,1 МПа). Время диссоциации, т.е. зарядки хим. ТВЭЛа или нескольких хим. ТВЭЛов, функционирующих в едином блоке, зависит от их суммарной энергоемкости (при удельной энергоемкости 3190 Вт·час/кг).

Таким образом, формируется высокоемкая замкнутая (закрытая) химико-теплоаккумулирующая система, пригодная для снабжения двигателей с внешним подводом теплоты, установленных на различных транспортных средствах.

Изобретение относится к химическому тепловыделяющему элементу, содержащему объем для хранения лития и гидрида лития. А также реакционный объем, частично заполненный литием, в котором возможно осуществление экзотермического процесса между литием и водородом и обратный ему процесс регенерации лития и водорода из наработанного гидрида лития, объем для накопления лития, отверстия или каналы для дозированной подачи водорода, а также объем для хранения водорода. Причем указанные объемы выполнены в виде единого объема, образованного оболочкой произвольной формы, который формирует с емкостью для хранения водорода закрытую систему. Технический результат - создание неразборного химического тепловыделяющего элемента, способного работать в замкнутой системе с возможной высокой теплоотдачей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Химический тепловыделяющий элемент, содержащий объем для хранения лития и гидрида лития, частично заполненный литием, реакционный объем, в котором возможно осуществление экзотермического процесса между литием и водородом и обратный ему процесс регенерации лития и водорода из наработанного гидрида лития, объем для накопления лития, отверстия или каналы для дозированной подачи водорода, а также объем (емкость) для хранения водорода, отличающийся тем, что указанные объемы выполнены в виде единого объема, образованного оболочкой произвольной формы (собственно химическим тепловыделяющим элементом), который формирует с емкостью для хранения водорода закрытую (единую) систему.2. Химический тепловыделяющий элемент по п.1, отличающийся тем, что он снабжен каналами для циркуляции теплоносителя, которые расположены произвольно относительно единого объема.